数字电子学集成电路
出处：维库电子市场网 发布于：2024-07-16 17:11:16 | 664 次阅读
(IC) 彻底改变了数字电子器件，使紧凑、强大且可靠的器件成为可能。这些 IC 为数字电子器件的发展做出了巨大贡献，提供了各种逻辑功能和归类为逻辑系列的专用电路。逻辑系列是指一组实现逻辑功能的 IC。通常由相互连接的逻辑门组成，以执行逻辑运算，例如 AND、OR、NOT、XOR、NAND、NOR 等。
逻辑门不作为单独的组件销售，而是包含在或多或少复杂的集成电路中。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点，可以根据项目需求在不同环境中使用。
最广泛使用的逻辑系列包括 TTL（-晶体管逻辑）和 CMOS（互补金属氧化物半导体）。当然，还有其他一些逻辑系列，本文不再赘述。前者之所以被称为 TTL，是因为其输入和输出级均有晶体管。后者之所以被称为 CMOS，是因为它使用了MOSFET。这两个逻辑系列根据其制造技术而有所不同。TTL 系列的电源电压为 5 V，而 CMOS 的电源电压在 3 V 至 18 V 之间。这两个系列之间相应逻辑值（真或假）的识别电压电平也不同。无论如何，始终建议避免上一期中分析的不确定领域。
特征 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的规格。下表重点介绍了这两个系列的不同特性，请记住，在每种情况下，都要仔细查阅相关的官方数据表。
一些示例电路
IC 模型众多，不可能将它们列成一个无意义的列表。请注意，不同的 IC 包括封装在单个芯片中的 NAND、NOR、NOT 等门。作为一个非常通用的示例，图 1 显示了一些具有不同输入的 AND 门，按照以下分类：
生存时间
7408：四路2输入与门
7411：三重3输入与门
7421：双4输入与门
互补金属氧化物半导体
CD4081：四2输入与门
CD4073：三重3输入与门 CD4082：双4输入与门。
某些配置的引脚排列不兼容，因此设计人员必须始终遵守官方的使用图。
一个通用的例子
对于电路来说，使用集成电路中的所有逻辑门是不必要的。逻辑集成电路设计有多个逻辑门，例如四路 2 输入与门或双路 4 输入或门，但这并不意味着必须同时使用所有门。在设计电路时，只使用实现所需功能所需的逻辑门。例如，如果需要实现双输入与逻辑运算，则可以使用集成电路的单个与门，而其他门则不用。未使用的输入可以接地。这提供了在将来必要时将剩余逻辑门用于其他功能的可能性，而无需在电路中添加额外的外部组件。为了理解逻辑集成电路的一般操作，假设以下系统，并考虑上述前提。根据图 2 中的逻辑图，一所房子的前门配备了电锁，只有在激活三个应答器后才能打开。它由以下块组成：
三个NFC标签，配备多个解码器
处理三个输入的逻辑电路
电锁。
有趣的是，创建此电路不需要使用微控制器，尽管后者肯定是更先进的解决方案。它们是在逻辑门之后发明的，因此简单电路最自然的选择是使用逻辑 IC。设计存在许多不同的解决方案。一个好的解决方案是集成电路 7411（三重 3 输入与门）或 CD4073（三重 3 输入与门）。该系统仅使用 IC 的一个与门，而其他两个保持未使用（参见图 3 中的原理电路图）。如前所述，始终建议将未使用的输入接地。三输入与端口的真值表预测仅当所有三个输入都采用逻辑 1 值时才会生成输出信号 1。因此，所有访问标签必须同时激活电子锁。如果未识别卡，则相应的 NFC 解码器必须能够发送低逻辑信号，如果正确识别并验证了标签，则发送高逻辑信号。如图所示，还提出了一种仅涉及系统逻辑的可能的PCB实现解决方案。
图 3：三输入锁的原理接线图及其真值表
防盗警报器的另一个例子
与逻辑门相关的 IC 列表很长。除了较旧的型号外，当今市场上还有速度极快且性能极高的逻辑门，包括 TTL 和 CMOS 类型。在这里列出并解释市场上所有现有的类型将非常简化。它们还按集成度和组成不同逻辑门的内部组件进行细分。设计人员应仔细记录各种现有型号及其组件系列。 以下示例（如图 4 所示）涉及配备四个区域的简单防盗报警器。传感器可以用检测热量、光线、噪音或其他存在的设备来表示。激活至少一个传感器即可触发警报。该系统只能使用一个集成电路，例如 CD4071（四路 2 输入或门），这是一种带有四个或门的 CMOS 芯片，每个或门都有两个输入。
图 4：带有 CD4071（或等效）集成电路的简单防盗报警器
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，该项目还有助于理解如何使用更简单的逻辑门实现复杂的逻辑门。
数字电子学课程 – 第 8 部分：数字电子学集成电路
以下源列表以 PARI/GP 编写，但可以轻松修改为任何其他编程语言，可生成 4 个数字输入的 16 种组合（2^4=16）。
数字电子学课程 – 第 8 部分：数字电子学集成电路
该图包含通用接线图（顶部）和通过显示整个集成电路 4071 制作的接线图。由二极管、低欧姆值电阻器和高电容器组成的电气网络（见图 5）使 LED 灯报警信号持续很长时间，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。
图 5：二极管和电容器可产生更长的报警信号
逻辑门不作为单独的组件销售，而是包含在或多或少复杂的集成电路中。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点，可以根据项目需求在不同环境中使用。
最广泛使用的逻辑系列包括 TTL（-晶体管逻辑）和 CMOS（互补金属氧化物半导体）。当然，还有其他一些逻辑系列，本文不再赘述。前者之所以被称为 TTL，是因为其输入和输出级均有晶体管。后者之所以被称为 CMOS，是因为它使用了MOSFET。这两个逻辑系列根据其制造技术而有所不同。TTL 系列的电源电压为 5 V，而 CMOS 的电源电压在 3 V 至 18 V 之间。这两个系列之间相应逻辑值（真或假）的识别电压电平也不同。无论如何，始终建议避免上一期中分析的不确定领域。
特征 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的规格。下表重点介绍了这两个系列的不同特性，请记住，在每种情况下，都要仔细查阅相关的官方数据表。
一些示例电路
IC 模型众多，不可能将它们列成一个无意义的列表。请注意，不同的 IC 包括封装在单个芯片中的 NAND、NOR、NOT 等门。作为一个非常通用的示例，图 1 显示了一些具有不同输入的 AND 门，按照以下分类：
生存时间
7408：四路2输入与门
7411：三重3输入与门
7421：双4输入与门
互补金属氧化物半导体
CD4081：四2输入与门
CD4073：三重3输入与门 CD4082：双4输入与门。
某些配置的引脚排列不兼容，因此设计人员必须始终遵守官方的使用图。
一个通用的例子
对于电路来说，使用集成电路中的所有逻辑门是不必要的。逻辑集成电路设计有多个逻辑门，例如四路 2 输入与门或双路 4 输入或门，但这并不意味着必须同时使用所有门。在设计电路时，只使用实现所需功能所需的逻辑门。例如，如果需要实现双输入与逻辑运算，则可以使用集成电路的单个与门，而其他门则不用。未使用的输入可以接地。这提供了在将来必要时将剩余逻辑门用于其他功能的可能性，而无需在电路中添加额外的外部组件。为了理解逻辑集成电路的一般操作，假设以下系统，并考虑上述前提。根据图 2 中的逻辑图，一所房子的前门配备了电锁，只有在激活三个应答器后才能打开。它由以下块组成：
三个NFC标签，配备多个解码器
处理三个输入的逻辑电路
电锁。
有趣的是，创建此电路不需要使用微控制器，尽管后者肯定是更先进的解决方案。它们是在逻辑门之后发明的，因此简单电路最自然的选择是使用逻辑 IC。设计存在许多不同的解决方案。一个好的解决方案是集成电路 7411（三重 3 输入与门）或 CD4073（三重 3 输入与门）。该系统仅使用 IC 的一个与门，而其他两个保持未使用（参见图 3 中的原理电路图）。如前所述，始终建议将未使用的输入接地。三输入与端口的真值表预测仅当所有三个输入都采用逻辑 1 值时才会生成输出信号 1。因此，所有访问标签必须同时激活电子锁。如果未识别卡，则相应的 NFC 解码器必须能够发送低逻辑信号，如果正确识别并验证了标签，则发送高逻辑信号。如图所示，还提出了一种仅涉及系统逻辑的可能的PCB实现解决方案。
图 3：三输入锁的原理接线图及其真值表防盗警报器的另一个例子
与逻辑门相关的 IC 列表很长。除了较旧的型号外，当今市场上还有速度极快且性能极高的逻辑门，包括 TTL 和 CMOS 类型。在这里列出并解释市场上所有现有的类型将非常简化。它们还按集成度和组成不同逻辑门的内部组件进行细分。设计人员应仔细记录各种现有型号及其组件系列。 以下示例（如图 4 所示）涉及配备四个区域的简单防盗报警器。传感器可以用检测热量、光线、噪音或其他存在的设备来表示。激活至少一个传感器即可触发警报。该系统只能使用一个集成电路，例如 CD4071（四路 2 输入或门），这是一种带有四个或门的 CMOS 芯片，每个或门都有两个输入。
图 4：带有 CD4071（或等效）集成电路的简单防盗报警器
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，该项目还有助于理解如何使用更简单的逻辑门实现复杂的逻辑门。
数字电子学课程 – 第 8 部分：数字电子学集成电路
以下源列表以 PARI/GP 编写，但可以轻松修改为任何其他编程语言，可生成 4 个数字输入的 16 种组合（2^4=16）。
数字电子学课程 – 第 8 部分：数字电子学集成电路
该图包含通用接线图（顶部）和通过显示整个集成电路 4071 制作的接线图。由二极管、低欧姆值电阻器和高电容器组成的电气网络（见图 5）使 LED 灯报警信号持续很长时间，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。
图 5：二极管和电容器可产生更长的报警信号
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