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一些集成電路及實(shí)際用途

更新時(shí)間:2023-07-21 點(diǎn)擊量:577

在早期的數(shù)字時(shí)代,邏輯門由晶體管和分立元件制成。巨大的空間占用以及增加的熱量散發(fā)問(wèn)題推動(dòng)了將電路封裝在緊湊的集成電路中的技術(shù),以容納成百上千個(gè)邏輯電路。本文討論了最重要的一些集成電路,并介紹了一些實(shí)際用途。

集成電路(IC)改變了數(shù)字電子產(chǎn)品,讓緊湊、強(qiáng)大且可靠的設(shè)備的出現(xiàn)成為可能。這些IC為數(shù)字電子產(chǎn)品的發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn),提供了大量的的邏輯功能和專用電路,并將其劃分為邏輯系列。邏輯系列是指實(shí)現(xiàn)邏輯功能的一組IC。邏輯電路通常由相互連接的邏輯門組成,用于執(zhí)行AND(與)、OR(或)、NOT(非)、XOR(異或)、NAND(與非)、NOR(或非)等邏輯運(yùn)算。


邏輯門不作為單獨(dú)的元件銷售,而是包含在或多或少的復(fù)雜集成電路中。邏輯系列的特點(diǎn)是技術(shù)規(guī)格,包括電源電壓、開(kāi)關(guān)速度、功耗和噪聲特性。每個(gè)邏輯系列都有其特殊性,并且可以根據(jù)項(xiàng)目的需要在不同的環(huán)境中使用。
應(yīng)用廣泛的一些邏輯系列是TTL(晶體管-晶體管邏輯)和CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)。當(dāng)然還有一些其他的,這里就不討論了。第一種被稱為TTL,是因?yàn)檩斎牒洼敵黾?jí)中都有晶體管。第二種被稱為CMOS,是因?yàn)樗褂肕OSFET。這兩個(gè)邏輯系列因其制造技術(shù)而有所不同。TTL系列的電源電壓為5V,而CMOS系列的電源電壓在3V至18V之間。兩個(gè)系列之間各自邏輯值(真或假)的識(shí)別電壓電平也有所不同。不過(guò)無(wú)論如何,避免上一期文章中所分析的不確定性區(qū)域始終是明智的選擇。


這兩個(gè)邏輯系列具有不同的特性,設(shè)計(jì)人員必須提前了解這些特性,以及其電路所需的規(guī)格。

IC的型號(hào)眾多,不可能一一列舉。請(qǐng)注意,不同的IC將NAND、NOR、NOT等門封裝在單個(gè)芯片中。作為一個(gè)非常普通的示例,圖1顯示了一些具有不同輸入的AND門,具體分類如下:


TTL


  • 7408:2輸入端四AND門
  • 7411:3輸入端三AND門
  • 7421:4輸入端雙AND門


CMOS


  • CD4081:2輸入端四AND門
  • CD4073:3輸入端三AND門
  • CD4082:4輸入端雙AND門。
對(duì)于一個(gè)電路來(lái)說(shuō),沒(méi)有必要使用IC中的所有邏輯門。邏輯IC設(shè)計(jì)有多個(gè)邏輯門,例如2輸入端四AND門或4輸入端雙AND門,但這并不意味著必須同時(shí)使用所有邏輯門。在設(shè)計(jì)電路時(shí),只使用實(shí)現(xiàn)所需功能需要的邏輯門。例如,如果需要實(shí)現(xiàn)雙輸入AND邏輯運(yùn)算,可以使用IC的單個(gè)AND門,而不使用其他門。未使用的輸入可以接地。這就提供了在將來(lái)需要時(shí)將其余邏輯門用于其他功能的可能性,而無(wú)需向電路添加額外的外部元件。為了理解邏輯IC的一般工作原理,在上述前提假設(shè)以下系統(tǒng)。根據(jù)圖2中的邏輯圖,只有當(dāng)三個(gè)應(yīng)答器都被激活時(shí),配備電子鎖的房屋前門才能打開(kāi)。該系統(tǒng)由以下模塊組成:
  • 三個(gè)NFC標(biāo)簽和三個(gè)解碼器
  • 處理三個(gè)輸入的邏輯電路
  • 一個(gè)電子鎖。

有趣的是,要?jiǎng)?chuàng)建該電路不需要使用微控制器,盡管后者肯定是一種更先進(jìn)的解決方案。微控制器是在邏輯門之后發(fā)明的,因此對(duì)于簡(jiǎn)單的電路來(lái)說(shuō),自然是選擇使用邏輯IC。該設(shè)計(jì)存在著許多不同的解決方案。比較好的解決方案是IC 7411(3輸入端三AND門)或CD4073(3輸入端三AND門)。該系統(tǒng)僅使用IC的一個(gè)AND門,而另外兩個(gè)沒(méi)有使用(見(jiàn)圖3中的電路原理圖)。如前所述,建議將未使用的輸入端接地。三輸入AND端口的真值表預(yù)測(cè),僅當(dāng)所有三個(gè)輸入均為邏輯1時(shí),才會(huì)產(chǎn)生輸出信號(hào)1。因此,所有門禁標(biāo)簽必須同時(shí)激活電子鎖。如果卡片未被識(shí)別,相應(yīng)的NFC解碼器必須能夠發(fā)送低邏輯信號(hào);如果標(biāo)簽被正確識(shí)別和驗(yàn)證,則相應(yīng)的NFC解碼器必須能夠發(fā)送高邏輯信號(hào)。如圖所示,還提出了一種僅涉及系統(tǒng)邏輯的可能的PCB實(shí)現(xiàn)方案。

與邏輯門相關(guān)的IC種類繁多。拋開(kāi)舊型號(hào)不談,當(dāng)今市場(chǎng)上的邏輯門速度極快且性能,既有TTL類型,也有CMOS類型。在此就不一一列舉和解釋市場(chǎng)上現(xiàn)有的所有類型了。此外,還可根據(jù)集成度和構(gòu)成不同邏輯門的內(nèi)部元件對(duì)其進(jìn)行細(xì)分。設(shè)計(jì)人員應(yīng)仔細(xì)記錄各種現(xiàn)有型號(hào)及其元件系列。

數(shù)字電子產(chǎn)品的IC是操作現(xiàn)代設(shè)備和數(shù)字系統(tǒng)的基礎(chǔ)。為滿足數(shù)字電子產(chǎn)品的多樣化需求,邏輯系列提供了大量的解決方案,并持續(xù)推動(dòng)數(shù)字電子產(chǎn)品領(lǐng)域的創(chuàng)新,使得功能越來(lái)越強(qiáng)大、越來(lái)越復(fù)雜,最重要的是,設(shè)備越來(lái)越小型化。如果系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單,設(shè)計(jì)者就不需要使用微控制器;只需邏輯IC就足夠了。 


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