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数字电子课程–第8部分:数字电子产品的集成电路

2023-07-18 17:15:44 Giovanni Di Maria 阅读:
集成电路彻底改变了数字电子产品,让紧凑、强大且可靠的设备的出现成为可能。

在早期的数字时代,逻辑门完全由晶体管和分立元件制成。巨大的空间占用以及增加的热量散发问题推动了将电路封装在紧凑的集成电路中的技术,以容纳成百上千个逻辑电路。本文讨论了最重要的一些集成电路,并介绍了一些实际用途。Siyednc

集成电路的介绍

集成电路(IC)彻底改变了数字电子产品,让紧凑、强大且可靠的设备的出现成为可能。这些IC为数字电子产品的发展做出了重大贡献,提供了大量的的逻辑功能和专用电路,并将其划分为逻辑系列。逻辑系列是指实现逻辑功能的一组IC。逻辑电路通常由相互连接的逻辑门组成,用于执行AND(与)、OR(或)、NOT(非)、XOR(异或)、NAND(与非)、NOR(或非)等逻辑运算。Siyednc

逻辑门不作为单独的元件销售,而是包含在或多或少的复杂集成电路中。逻辑系列的特点是技术规格,包括电源电压、开关速度、功耗和噪声特性。每个逻辑系列都有其特殊性,并且可以根据项目的需要在不同的环境中使用。Siyednc

应用最广泛的一些逻辑系列是TTL(晶体管-晶体管逻辑)和CMOS(互补金属氧化物半导体)。当然还有一些其他的,这里就不讨论了。第一种被称为TTL,是因为输入和输出级中都有晶体管。第二种被称为CMOS,是因为它使用MOSFET。这两个逻辑系列因其制造技术而有所不同。TTL系列的电源电压为5V,而CMOS系列的电源电压在3V至18V之间。两个系列之间各自逻辑值(真或假)的识别电压电平也有所不同。不过无论如何,避免上一期文章中所分析的不确定性区域始终是明智的选择。Siyednc

TTL和CMOS特性的区分

这两个逻辑系列具有不同的特性,设计人员必须提前了解这些特性,以及其电路所需的规格。下表重点介绍了这两个系列的不同特性,请记住,在任何情况下都要仔细查阅相关的官方数据表。Siyednc

Siyednc

一些示例电路

IC的型号众多,不可能一一列举。请注意,不同的IC将NAND、NOR、NOT等门封装在单个芯片中。作为一个非常普通的示例,图1显示了一些具有不同输入的AND门,具体分类如下:Siyednc

TTLSiyednc

  • 7408:2输入端四AND门
  • 7411:3输入端三AND门
  • 7421:4输入端双AND门

CMOSSiyednc

  • CD4081:2输入端四AND门
  • CD4073:3输入端三AND门
  • CD4082:4输入端双AND门。

Siyednc

图1:TTL(7408、7411、7421)和CMOS(4081、4073、4082)系列中的不同AND门Siyednc

某些配置的引脚不兼容,因此设计人员必须始终遵循官方使用示意图。Siyednc

一个通用的例子

对于一个电路来说,没有必要使用IC中的所有逻辑门。逻辑IC设计有多个逻辑门,例如2输入端四AND门或4输入端双AND门,但这并不意味着必须同时使用所有逻辑门。在设计电路时,只使用实现所需功能需要的逻辑门。例如,如果需要实现双输入AND逻辑运算,可以使用IC的单个AND门,而不使用其他门。未使用的输入可以接地。这就提供了在将来需要时将其余逻辑门用于其他功能的可能性,而无需向电路添加额外的外部元件。为了理解逻辑IC的一般工作原理,在上述前提假设以下系统。根据图2中的逻辑图,只有当三个应答器都被激活时,配备电子锁的房屋前门才能打开。该系统由以下模块组成:Siyednc

  • 三个NFC标签和三个解码器
  • 处理三个输入的逻辑电路
  • 一个电子锁。

Siyednc

图2:三输入锁的逻辑图Siyednc

有趣的是,要创建该电路不需要使用微控制器,尽管后者肯定是一种更先进的解决方案。微控制器是在逻辑门之后发明的,因此对于简单的电路来说,自然是选择使用逻辑IC。该设计存在着许多不同的解决方案。比较好的解决方案是IC 7411(3输入端三AND门)或CD4073(3输入端三AND门)。该系统仅使用IC的一个AND门,而另外两个没有使用(见图3中的电路原理图)。如前所述,建议将未使用的输入端接地。三输入AND端口的真值表预测,仅当所有三个输入均为逻辑1时,才会产生输出信号1。因此,所有门禁标签必须同时激活电子锁。如果卡片未被识别,相应的NFC解码器必须能够发送低逻辑信号;如果标签被正确识别和验证,则相应的NFC解码器必须能够发送高逻辑信号。如图所示,还提出了一种仅涉及系统逻辑的可能的PCB实现方案。Siyednc

Siyednc

图3:三输入锁的接线原理图及真值表Siyednc

另一个例子——防盗

与逻辑门相关的IC种类繁多。抛开旧型号不谈,当今市场上的逻辑门速度极快且性能极高,既有TTL类型,也有CMOS类型。在此就不一一列举和解释市场上现有的所有类型了。此外,还可根据集成度和构成不同逻辑门的内部元件对其进行细分。设计人员应仔细记录各种现有型号及其元件系列。Siyednc

下面的示例(如图4所示) 是一个简单的防盗铃,配有四个分区。传感器可相当于热、光、噪声或其他信号的检测设备来检测附近出现的人。只要有一个传感器被激活即可触发警报。该系统只需使用一个IC,例如CD4071(2输入端四OR门),这是一个具有四个OR门的CMOS芯片,每个OR门有两个输入端。Siyednc

Siyednc

图4:带有CD4071(或等效的组件)IC的简单防盗铃Siyednc

下面的真值表显示了电路中端口的所有可能逻辑状态。此外,该项目对于理解如何使用更简单的逻辑门来实现复杂的逻辑门很有用。Siyednc

Siyednc

下面的源码表是用PARI/GP编写的,但可以轻松修改为其他任何编程语言,生成4个数字输入的16种组合(2^4=16)。Siyednc

Siyednc

图中包含通用接线图(上面的图)和通过显示整个4071 IC制作的接线图。由二极管、低阻值电阻和高电容电解电容组成的电气网络(见图5) 让LED灯报警信号的持续时间更长,即使驱动脉冲很短。该信号是模拟信号,但通过适当的安排,使用未连接的第四个OR端口,可以将其变为数字信号。Siyednc

Siyednc

图5:二极管和电容器使报警信号更长Siyednc

结论

数字电子产品的IC是操作现代设备和数字系统的基础。为满足数字电子产品的多样化需求,逻辑系列提供了大量的解决方案,并持续推动数字电子产品领域的创新,使得功能越来越强大、越来越复杂,最重要的是,设备越来越小型化。如果系统比较简单,设计者就不需要使用微控制器;只需逻辑IC就足够了。 Siyednc

(原文刊登于EDN姊妹网站EEWeb,参考链接:Digital Electronics Course – Part 8: integrated circuits for digital electronics,由Ricardo Xie编译。)Siyednc

相关阅读:

数字电子课程-第1部分:二进制逻辑和信号Siyednc

数字电子课程-第2部分:数字VS模拟Siyednc

数字电子课程-第3部分:数制Siyednc

数字电子课程-第4部分:布尔代数和布尔函数Siyednc

数字电子课程-第5部分:逻辑门Siyednc

数字电子课程-第6部分:其他逻辑门Siyednc

数字电子课程-第7部分:数字不确定性Siyednc

责编:Ricardo
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