作者：Atul Patel，德州儀器產(chǎn)品營(yíng)銷部

使用 AND、OR、XOR、NOT、NAND、NOR 和 XNOR 等數(shù)字邏輯門和其他相關(guān)邏輯功能通常是定義電信號(hào)之間的關(guān)系以及它們?cè)谌魏坞娮酉到y(tǒng)中如何相互連接的基礎(chǔ)。邏輯門是使微處理器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA) 和其他數(shù)字設(shè)備等更大、更復(fù)雜的設(shè)備能夠以最佳方式執(zhí)行其預(yù)期功能的基本構(gòu)建塊。

邏輯門功能使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠采用相似的核心電子元件并開發(fā)完全不同的最終產(chǎn)品。例如，微控制器、傳感器、輸入/輸出 (I/O) 設(shè)備和電源管理的簡(jiǎn)單組合可以成為溫度監(jiān)視器、恒溫器、數(shù)字溫度計(jì)或多個(gè)其他設(shè)備，其中邏輯門起著關(guān)鍵作用以不同方式組合核心組件之間的信號(hào)，從而產(chǎn)生獨(dú)特的應(yīng)用。

毫無(wú)疑問，邏輯門本身是一些最簡(jiǎn)單的電子元件，通常不在任何系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮的最前沿。但它們是幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員將一組電子元件轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢酝炀壬⒈苊廛嚨湣⑴恼栈驇椭瓿蔁o(wú)數(shù)其他任務(wù)的應(yīng)用程序的關(guān)鍵設(shè)備。

許多工程師在他們的職業(yè)生涯中根據(jù)過去的經(jīng)驗(yàn)和挑戰(zhàn)開發(fā)了自己的邏輯功能實(shí)現(xiàn)庫(kù)。您可以使用電阻器和場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 等分立元件來實(shí)現(xiàn)邏輯功能，例如 AND、OR、NOR 和 XOR，以及簡(jiǎn)單的電壓電平轉(zhuǎn)換。盡管使用分立元件來實(shí)現(xiàn)邏輯功能的方法一直在下降，但您仍可能在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中依賴分立邏輯門實(shí)現(xiàn)。

由于其相對(duì)簡(jiǎn)單以及工程界對(duì)分立元件的全面熟悉，分立邏輯功能實(shí)現(xiàn)仍然很受歡迎。近年來，集成或?qū)Ｓ脭?shù)字邏輯集成電路 (IC) 在尺寸、功率、成本、易于設(shè)計(jì)和功能集成方面取得了巨大進(jìn)步。今天，對(duì)于許多應(yīng)用而言，邏輯 IC 提供了比分立電阻器和晶體管更好的系統(tǒng)級(jí)價(jià)值主張。

不幸的是，由于與熟悉的離散方法相關(guān)的“慣性”，許多工程師錯(cuò)過了專用邏輯功能的好處。邏輯 IC 可以通過減少組件數(shù)量、減少印刷電路板 (PCB) 面積以及提高系統(tǒng)靈活性和穩(wěn)健性來幫助您改進(jìn)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，從而降低應(yīng)用的整體生命周期成本。讓我們更深入地探討所有這四個(gè)相對(duì)于離散邏輯功能實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)。

組件數(shù)

用于實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備或系統(tǒng)功能的電子元件（例如 IC、無(wú)源器件和分立器件）的數(shù)量在決定市場(chǎng)成功方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。現(xiàn)代電子系統(tǒng)通常旨在滿足多個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)，例如低功耗、更小的外形尺寸、更低的開發(fā)成本、更低的單位成本和增強(qiáng)的熱性能。

為了說明離散邏輯功能實(shí)現(xiàn)和集成邏輯 IC 實(shí)現(xiàn)之間組件數(shù)量差異的影響，圖 1?顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單的邏輯選擇，其中兩個(gè)信號(hào)需要具有 OR 功能才能在系統(tǒng)內(nèi)傳達(dá)錯(cuò)誤信號(hào)。

圖 1：使用集成和分立解決方案的雙輸入或門功能實(shí)現(xiàn)。

如圖1所示，分立方案使用五個(gè)組件，而集成解決方案使用單個(gè) IC 來實(shí)現(xiàn) OR 功能。這對(duì)系統(tǒng)意味著什么？具有五個(gè)組成部分的離散方法往往比集成方法效率低得多。

考慮低功耗模式等應(yīng)用，這些應(yīng)用需要系統(tǒng)組件的電流泄漏極低，以最大限度地延長(zhǎng)電池壽命或滿足能源使用目標(biāo)。更多的分立元件通常意味著更低的功率效率。更多的組件也意味著更多的潛在故障點(diǎn)，這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性降低，從而提高保修和服務(wù)成本。更少的組件意味著更少的設(shè)備可用于設(shè)計(jì)認(rèn)證和采購(gòu)。使用集成邏輯 IC 功能使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠減少系統(tǒng)組件數(shù)量，從而以多種方式使設(shè)計(jì)受益，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過實(shí)施的組件成本。

PCB面積

PCB 面積也會(huì)影響系統(tǒng)外形尺寸、系統(tǒng)構(gòu)建成本和功能集組合。使用分立器件來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制信號(hào)是很常見的。然而，分立方法可能會(huì)占用寶貴的電路板面積，這可能會(huì)使整體設(shè)計(jì)在外形尺寸方面更小，從而降低成本。

圖 2顯示了實(shí)現(xiàn)來自多個(gè)設(shè)備的電源良好控制信號(hào)的常見示例。分立實(shí)現(xiàn)使用八個(gè)分立器件，而集成邏輯門需要單個(gè) IC。分立式方法不僅使用許多器件，而且互連這些器件的電路板空間可能會(huì)比分立元件的實(shí)際尺寸消耗更多的空間。

在許多情況下，系統(tǒng)可能對(duì)外形不敏感。在這種情況下，使用集成邏輯門節(jié)省 PCB 空間仍然很重要，因?yàn)槟梢允褂霉?jié)省的電路板面積為應(yīng)用程序添加額外的功能，并使您的設(shè)計(jì)與各自市場(chǎng)中的其他設(shè)計(jì)區(qū)分開來。使用集成邏輯門與使用分立元件相關(guān)的 PCB 面積節(jié)省可能是幫助您達(dá)到并超越設(shè)計(jì)目標(biāo)的重要因素。

圖 2：雙輸入 AND 函數(shù)：集成與離散比較。

在實(shí)現(xiàn)稍微復(fù)雜的功能時(shí)，使用邏輯 IC 與分立器件的影響更為顯著。例如，可以使用分立的 N 溝道和 P 溝道 FET 晶體管器件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的單向推挽電平轉(zhuǎn)換，也可以使用為電平轉(zhuǎn)換而設(shè)計(jì)的專用電路，例如 TI 的 2N7001T。

圖 3將常見的離散推挽電平轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)與集成實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了比較。與分立解決方案相比，集成實(shí)施方案占用的電路板面積減少 90%，同時(shí)還提供更低的泄漏、更好的信號(hào)性能和更簡(jiǎn)單的實(shí)施方案。如果分立電平轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)出現(xiàn)在設(shè)計(jì)中的多個(gè)位置，您只需遷移到集成解決方案即可實(shí)現(xiàn)相當(dāng)大的電路板空間和功耗節(jié)省。

圖 3：集成與離散電平轉(zhuǎn)換。

設(shè)計(jì)靈活性和穩(wěn)健性

與設(shè)計(jì)人員經(jīng)常忽略的分立解決方案相比，使用集成邏輯門解決方案具有額外的好處。設(shè)計(jì)靈活性是在設(shè)計(jì)開發(fā)過程中設(shè)計(jì)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)可以提供極大幫助的好處之一。

回到前面提到的電源良好實(shí)現(xiàn)（圖 2），如果某些信號(hào)的電壓電平從 1.8 V 變?yōu)?5 V 會(huì)怎樣？在這種情況下，分立解決方案將需要不同的元件值來處理不同的電壓電平。集成解決方案無(wú)需更改，因?yàn)樗梢灾С?1.8 V 和 5 V 之間的電壓電平范圍。

現(xiàn)在想象一下，這個(gè)電源良好電路出現(xiàn)在一個(gè)設(shè)計(jì)中的 10 個(gè)不同位置。在 10 個(gè)地方更改離散解決方案將消耗寶貴的工程時(shí)間，這會(huì)影響上市時(shí)間，更不用說整體項(xiàng)目成本了。集成邏輯門功能的設(shè)計(jì)靈活性是一項(xiàng)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，可幫助您滿足設(shè)計(jì)進(jìn)度并克服設(shè)計(jì)障礙。

離散邏輯門的實(shí)現(xiàn)本質(zhì)上涉及許多相互連接的組件，這些組件組合起來完成一個(gè)功能。從上面的例子可以看出，即使是簡(jiǎn)單的離散實(shí)現(xiàn)也可能涉及超過 8 個(gè)不同的設(shè)備，而更復(fù)雜的實(shí)現(xiàn)可能有 20 多個(gè)組件。分立式設(shè)計(jì)中組件的絕對(duì)數(shù)量增加了可能導(dǎo)致系統(tǒng)故障的組件故障或焊點(diǎn)不良的機(jī)會(huì)。對(duì)于系統(tǒng)供應(yīng)商來說，在現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)故障系統(tǒng)可能會(huì)非常昂貴。此外，就在大量分立器件中尋找故障組件而言，嘗試修復(fù)分立電路可能非常耗時(shí)。使用集成邏輯門解決方案減少了信號(hào)互連的數(shù)量，進(jìn)而，減少可能發(fā)生故障的互連數(shù)量。系統(tǒng)穩(wěn)健性是您可以通過選擇集成邏輯門和轉(zhuǎn)換功能來實(shí)現(xiàn)的另一個(gè)好處。

設(shè)計(jì)生命周期成本

到目前為止，我們已經(jīng)討論了使用集成邏輯門功能與分立解決方案相比的各個(gè)優(yōu)勢(shì)。但是，這些好處的綜合效果是您可以降低項(xiàng)目的整體生命周期成本。該成本不僅包括開發(fā)成本，還包括在其使用壽命期間維修和維護(hù)系統(tǒng)的成本。此外，停機(jī)成本可能很高，在權(quán)衡更強(qiáng)大的系統(tǒng)的好處時(shí)，也應(yīng)該考慮到這一點(diǎn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員、架構(gòu)師和組件工程師在為其設(shè)計(jì)選擇、實(shí)施和采購(gòu)邏輯功能時(shí)，需要考慮集成邏輯解決方案的綜合優(yōu)勢(shì)。

您如何將這些信息用于您的下一個(gè)項(xiàng)目？只需了解您在哪里使用分立器件來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的邏輯功能，然后將這些功能映射到當(dāng)今可用的大量集成邏輯解決方案。集成邏輯解決方案的來源是邏輯和翻譯登錄頁(yè)面，您可以在其中找到許多不同系列的邏輯門解決方案。探索可幫助您完成設(shè)計(jì)的集成邏輯解決方案。

審核編輯 黃昊宇