數(shù)字集成電路在電子產(chǎn)品制作中的應(yīng)用

詹紹成

（江西生物科技職業(yè)學(xué)院 江西省南昌市 330200）

世界上首個(gè)集成電路誕生于1958年的美國(guó)，由當(dāng)時(shí)的得克薩斯儀器公司制造而成。一經(jīng)問(wèn)世，集成電路便憑借自身體積小、集成性高等顯著優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，迅速獲得了專業(yè)人士的認(rèn)可，并被廣泛運(yùn)用到各種電子設(shè)備的生產(chǎn)制造當(dāng)中。經(jīng)歷了60 多年的發(fā)展，在技術(shù)升級(jí)改革的影響下，如今的集成電路不僅在集成度、集成規(guī)模、反應(yīng)速度等方面實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化升級(jí)。更在計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)等先進(jìn)信息技術(shù)的輔助下，全面升級(jí)成為了數(shù)字集成電路。極大的增強(qiáng)了數(shù)字集成電路在當(dāng)今信息時(shí)代的環(huán)境適應(yīng)能力，使其不僅能夠運(yùn)用于各種小型電子產(chǎn)品元件的制作，更是在航空航天、醫(yī)療器械等大的電子產(chǎn)品制造領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，為我國(guó)制造業(yè)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

1 數(shù)字集成電路概述

數(shù)字集成電路簡(jiǎn)而言之指的是由包含連線、元器件在內(nèi)的半導(dǎo)體芯片制作成的數(shù)字邏輯電路或系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)與運(yùn)行過(guò)程中很大程度上需要依靠數(shù)字邏輯來(lái)對(duì)其產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行集成化處理。結(jié)合數(shù)字集成電路當(dāng)中元、器件以及門電路具體數(shù)量的多少，可以按照電路規(guī)模大小將其從小到大依次劃分為小型SSL 電路、中型MSI電路、大型LSI、超大型VLSI 電路、特大型ULSL 電路、巨大型GSL 電路。

1.1 邏輯功能

從邏輯上來(lái)講，數(shù)字集成電路的組成類別包含了時(shí)序邏輯電路、組合邏輯電路兩種。常用的計(jì)數(shù)器、移位寄存器等都屬于時(shí)序邏輯電路，該電路系統(tǒng)的輸出操作與輸入操作以及電路原狀態(tài)都有著緊密的關(guān)聯(lián)。這決定了存儲(chǔ)單元電路在時(shí)序邏輯電路中存在的意義，可以賦予其強(qiáng)大的記憶功能；常見(jiàn)的多路分配器、奇偶校驗(yàn)器、譯碼器、全加器、數(shù)據(jù)選擇器、編碼器、數(shù)值比較器等則都屬于組合邏輯電路，該電路系統(tǒng)的輸出操作僅由同時(shí)期的輸入操作決定，在此之前電路工作狀態(tài)如何不會(huì)對(duì)輸出操作造成影響。由于上述兩種邏輯電路擁有系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化的邏輯功能，這使得它們具有很好的環(huán)境適應(yīng)性，可以被廣泛應(yīng)用于多種電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制作當(dāng)中，因此可以將其統(tǒng)稱為通用型數(shù)字集成電路。

1.2 內(nèi)部設(shè)計(jì)

從內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，數(shù)字集成電路主要由組合邏輯以及觸發(fā)器組合而成。時(shí)序電路不僅擁有基本門，同時(shí)基于其自身強(qiáng)大的記憶功能，因此其存儲(chǔ)元件當(dāng)中也包含了有大量被記錄保存下來(lái)的已發(fā)生信息，在邏輯運(yùn)算完成后，系統(tǒng)可以自動(dòng)將運(yùn)算結(jié)果暫存到存儲(chǔ)元件當(dāng)中，為后續(xù)運(yùn)算做準(zhǔn)備。而組合邏輯電路則僅包含基本門，系統(tǒng)運(yùn)行由輸入操作決定。從內(nèi)部結(jié)構(gòu)的類別上來(lái)講，可以按照系統(tǒng)各部位所發(fā)揮的功能，將其解構(gòu)為控制邏輯、數(shù)據(jù)通路兩部分。其中時(shí)序邏輯電路是這兩大部分的主要電路集成來(lái)源。這主要與時(shí)序邏輯電路自身的簡(jiǎn)潔化設(shè)計(jì)有關(guān)，可以在多個(gè)寄存器、觸發(fā)器的共同作用下，被分為多個(gè)節(jié)點(diǎn)，時(shí)鐘操控觸發(fā)器進(jìn)行工作。如今隨著設(shè)計(jì)活動(dòng)的不斷開(kāi)展，目前已經(jīng)形成了包含選擇器、比較器、移位寄存器、乘法器、加法器等在內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)化集成電路通用單元。這些單元在實(shí)際工作中，可依照設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行單元與單元之間的連接，由此組合成一個(gè)完整的數(shù)據(jù)通路，具有良好的集成性。

1.3 組成類別

從組成類別上來(lái)講，數(shù)字集成電路種類繁多，包含了計(jì)數(shù)器、門電路、編譯碼器、存儲(chǔ)器、計(jì)數(shù)器等數(shù)百種不同的器件。依照電路結(jié)構(gòu)可以將數(shù)字集成電路大致分為TTL、MOS 兩大類。其中TTL 數(shù)字集成電路又稱為雙極性電路，借助載流子（電子、空穴）功能的發(fā)揮來(lái)進(jìn)行導(dǎo)電。而MOS 數(shù)字集成電路只運(yùn)用到一種載流子就可完成導(dǎo)電。依據(jù)導(dǎo)電方式的不同還可以將MOS 細(xì)分為PMOS、NMOS、CMOS 三種不同的電路，前兩種分別通過(guò)空穴以及電子進(jìn)行導(dǎo)電，而CMOS 則作為PMOS、NMOS 的復(fù)合體存在。CMOS 數(shù)字集成電路應(yīng)用范圍較廣，這與其顯著的優(yōu)勢(shì)特征存在著必然的聯(lián)系。如成本低廉、抗干擾能力突出、電源電壓范圍寬、輸入阻抗高、靜電功耗低等。

2 數(shù)字集成電路在電子產(chǎn)品制作中應(yīng)用的顯著優(yōu)勢(shì)

在技術(shù)升級(jí)改革的新時(shí)代背景下，隨著社會(huì)信息化發(fā)展程度的日益加深，智能化、數(shù)字化逐漸成為了各行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的主要方向。由此在制造業(yè)當(dāng)中圍繞技術(shù)升級(jí)、功能開(kāi)發(fā)、系統(tǒng)構(gòu)建，引發(fā)了一系列的改革工作，市場(chǎng)對(duì)于各種芯片的需求量不斷攀升?；谑袌?chǎng)對(duì)芯片的性能、價(jià)值等方面的高要求、高期待，使得數(shù)字集成電路在眾多的芯片中嶄露頭角，成為了當(dāng)今市場(chǎng)上企業(yè)之間進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵籌碼，是企業(yè)進(jìn)行電子產(chǎn)品功能升級(jí)、新型電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)制作的重要基礎(chǔ)。具體來(lái)講，數(shù)字集成電路之所以能夠被廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品制作當(dāng)中，其顯著優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）系統(tǒng)穩(wěn)定性突出，能夠完整而順利的呈現(xiàn)出系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果。不同于以往的模擬電路，數(shù)字集成電路的輸出操作受外在因素影響程度較小，不會(huì)因電源電壓、溫度的變化以及器件本身的老化，而擾亂自身正常的系統(tǒng)運(yùn)行秩序。無(wú)論在何種情況下，對(duì)于給定的輸入信號(hào)，數(shù)字集成電路總能夠顯示出相同的結(jié)果。這對(duì)于電子產(chǎn)品的正常運(yùn)行是極為有益的，可大大降低因系統(tǒng)紊亂而導(dǎo)致的故障事件的發(fā)生率。

（2）可編程性較好，能夠使產(chǎn)品制作更為便捷。數(shù)字集成電路依托數(shù)字化技術(shù)支持運(yùn)行，本身又擁有強(qiáng)大的邏輯功能。用戶在對(duì)電子產(chǎn)品進(jìn)行制作過(guò)程中，只需要依照自身需求選擇相應(yīng)的半成品數(shù)字集成電路芯片，并結(jié)合產(chǎn)品特性將相關(guān)編程語(yǔ)言輸入到芯片當(dāng)中，在經(jīng)過(guò)仿真化設(shè)計(jì)之后，就可以使數(shù)字集成電路發(fā)揮出相應(yīng)的作用并確保電子產(chǎn)品相對(duì)功能的展現(xiàn)。這為電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制作帶來(lái)了極大的便捷性。

（3）簡(jiǎn)易性突出，便于人員操作。數(shù)字集成電路因其顯著的邏輯功能，因此也被稱為數(shù)字邏輯電路。在邏輯分析能力的作用下，數(shù)字邏輯電路在運(yùn)行過(guò)程中舍棄了繁復(fù)的數(shù)學(xué)知識(shí)，以邏輯代數(shù)的形式對(duì)0 與1 分別代表的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理運(yùn)算。只要電路能夠?qū)? 和1 分別代表的數(shù)字信號(hào)作出可靠而明確的區(qū)分，就可以保障系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

（4）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于批量生產(chǎn)。上文中我們提到數(shù)字集成電路僅由組合邏輯以及觸發(fā)器組成。簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)不僅決定了其小體積、重量輕的特點(diǎn)，同時(shí)也大大減少了復(fù)雜器件連接過(guò)程中多焊點(diǎn)、引線的情況。這使得數(shù)字集成電路更易于制造，且成本較低。這使得數(shù)字集成電路能夠在實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，充分滿足電子產(chǎn)品的規(guī)模化制作。

3 數(shù)字集成電路在電子產(chǎn)品制作中的應(yīng)用

早在上世紀(jì)末期集成電路就已經(jīng)被正式應(yīng)用到了音頻放大器的制作中，成為了其電壓調(diào)制器的關(guān)鍵技術(shù)。如今在信息時(shí)代的影響下，數(shù)字集成電路各項(xiàng)優(yōu)勢(shì)功能逐漸顯現(xiàn)，以及相關(guān)技術(shù)研發(fā)工作的持續(xù)推進(jìn)，數(shù)字集成電路在當(dāng)今社會(huì)實(shí)現(xiàn)了更為廣泛的應(yīng)用。我們?nèi)粘Ｖ兴佑|到的工業(yè)控制、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、顯示驅(qū)動(dòng)、電源管理、電子照明系統(tǒng)等都可以看到數(shù)字集成電路的身影。而智能手機(jī)、Mac、PC 等常用電子設(shè)備中的GPU、CPU 等更是本身就屬于數(shù)字集成電路芯片。

3.1 交通信號(hào)燈

隨著城市化發(fā)展進(jìn)程的逐漸加劇，城市人口數(shù)量在不斷攀升的同時(shí)也為城市的交通運(yùn)輸帶來(lái)了巨大的負(fù)擔(dān)，使得城市交通樞紐問(wèn)題成為了社會(huì)關(guān)注熱點(diǎn)。在城市道路交通極度緊張的當(dāng)前局勢(shì)下，如何在現(xiàn)有道路交通系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)路、車、人三者的優(yōu)化調(diào)配，是交通管理人員必須解決并持續(xù)優(yōu)化的一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題。而憑借數(shù)字集成電路制作而成的智能交通信號(hào)燈的出現(xiàn)，可以對(duì)交管部門的工作形成有效的輔助作用，幫助交管人員實(shí)現(xiàn)對(duì)交通資源的合理調(diào)配，切實(shí)保障行人道路安全。通過(guò)在交通信號(hào)燈中植入數(shù)字集成電路芯片，可以賦予交通信號(hào)燈較強(qiáng)的邏輯分析能力，使其在顯示器、計(jì)數(shù)器、上控制器、信號(hào)發(fā)生器、置數(shù)器、譯碼電路等器件的綜合作用下，充分接收交通控制系統(tǒng)的操控，并對(duì)交通數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3.2 數(shù)字電視

在小小的數(shù)字集成電路當(dāng)中，容納了幾千到百萬(wàn)數(shù)量的多任務(wù)器、邏輯門、觸發(fā)器以及其電路。這使得數(shù)字集成電路可以在降低制造成本的同時(shí)，又可以最大程度保障其自身功耗、速度、集成等性能的不變。目前在電子產(chǎn)品升級(jí)改造的時(shí)代背景下，數(shù)字光場(chǎng)芯片逐漸成為了一個(gè)熱門話題，可以在計(jì)算機(jī)數(shù)字信號(hào)控制的作用下，使數(shù)字集成電路形成任意光場(chǎng)圖形由此來(lái)達(dá)到影像控制的目的。隨著該技術(shù)的衍進(jìn)，數(shù)字集成電路得以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用范圍的再一次拓展，逐漸從工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于以數(shù)字電視為代表的各種民用電子產(chǎn)品制造領(lǐng)域當(dāng)中，產(chǎn)品涉及到了投影儀、智能車燈、電視、電影、印刷打印、PCB 電路板曝光、光固化3D 打印等多類型的電子產(chǎn)品，能夠?yàn)槠涔δ艿陌l(fā)揮提供強(qiáng)大的輔助效用。以數(shù)字電視為例，其電路系統(tǒng)主要由解碼、解調(diào)、顯示、調(diào)諧四個(gè)主要模塊構(gòu)成。其中調(diào)諧電路主要用于電視數(shù)字調(diào)諧器的制作，以頻分復(fù)用的方式，在前端發(fā)射的在進(jìn)行前端信號(hào)發(fā)射時(shí)，將電視信號(hào)調(diào)制到既定頻率用以進(jìn)行信號(hào)的傳送，并在信號(hào)接收端增設(shè)負(fù)責(zé)不同頻點(diǎn)頻道切換的IC，由此來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字電視與遙控器之間的控制操作。

3.3 智能手機(jī)

智能手機(jī)基于其對(duì)手機(jī)功能、性能以及外觀的高要求，也使得智能手機(jī)成為了數(shù)字集成電路的主要作用領(lǐng)域。實(shí)際上智能手機(jī)的GPU、CPU 本身就屬于數(shù)字集成電路芯片。具體來(lái)講，智能手機(jī)當(dāng)中的數(shù)字集成電路主要有以下幾種：

（1）穩(wěn)壓塊。該模塊主要作用于手機(jī)的供電系統(tǒng)，負(fù)責(zé)為手機(jī)中的各個(gè)元器件供電，確保手機(jī)可以在電壓穩(wěn)定、合適的情況下實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期待機(jī)。在三星、華為等手機(jī)中都有著較多的應(yīng)用。

（2）集成電路。出現(xiàn)于手機(jī)電路中的集成電路種類較多，涉及到了鎖相環(huán)IC、中頻IC、電源IC、CPU 等。其中IC 的封裝形式可以依據(jù)具體的設(shè)計(jì)需要，采用柵格陣列引腳封裝、四方扁平封裝、小外形封裝等多種形式。其中柵格陣列引腳封裝以陣列的形式進(jìn)行引線的排列，可以最大程度節(jié)省電路板空間。同時(shí)由于該形式利用整個(gè)封裝底部來(lái)實(shí)現(xiàn)與電路板的連接，因此還可以大大縮短連接距離。有助于手機(jī)性能的保護(hù)。

4 小結(jié)

綜上所述，雖然相比較而言，集成電路發(fā)展時(shí)間較短，而因信息技術(shù)升級(jí)發(fā)展而來(lái)的數(shù)字化集成電路更是有著極為短暫的發(fā)展史。但由于數(shù)字集成電路強(qiáng)大而顯著的功能優(yōu)勢(shì)，使得其一經(jīng)出現(xiàn)就迅速占領(lǐng)了各領(lǐng)域熱門話題，成為了制造業(yè)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的首選，圍繞其而展開(kāi)的研究工作也相繼展開(kāi)。這極大的促進(jìn)了數(shù)字集成電路在電子產(chǎn)品制作中的應(yīng)用，使其逐漸從工業(yè)生產(chǎn)逐漸拓展到了民用小型電子產(chǎn)品制作當(dāng)中。在未來(lái)的發(fā)展中，我們要在以往行業(yè)發(fā)展成果的基礎(chǔ)上，繼續(xù)砥礪前行，將數(shù)字集成電路的應(yīng)用與發(fā)展瞄準(zhǔn)汽車、智能家居等相關(guān)功能的開(kāi)發(fā)，為我國(guó)電子產(chǎn)品制造行業(yè)的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。同時(shí)還要加大本土技術(shù)研發(fā)力度，多研發(fā)出一些先進(jìn)的擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)字集成電路芯片，由此來(lái)降低我國(guó)對(duì)國(guó)外芯片的依賴程度。為我國(guó)電子制造業(yè)的崛起而做好充足的準(zhǔn)備。