نمای کلی از خانواده ها و فن آوری های منطق IC

در چشم انداز روزافزون الکترونیک دیجیتال ، انتخاب و کاربرد خانواده های منطقی سنگ بنای طراحی مدار یکپارچه را تشکیل می دهد.این خانواده ها ، هر یک که با تفاوت های خاص عملیاتی و فنی مشخص می شوند ، نقش مهمی در توسعه و بهینه سازی سیستم های دیجیتال دارند.در این مقاله اکتشافی عمیق از خانواده های منطق مختلف ، از جمله مکمل اکسید-اکسید-هادی (CMOS) ، منطق ترانزیستور-ترنسیستور (TTL) و منطق همراه با امیتر (ECL) ارائه شده است ، و ویژگی های مجزا ، برنامه ها و ذاتی آنها را بررسی می کند.معاملات مرتبط با استفاده از آنها.این مقاله با جدا کردن اصول عملیاتی خانواده های منطقی یک قطبی و دو قطبی و تأکید بر پیامدهای تکنولوژیکی ویژگی های آنها مانند سرعت عملیاتی ، اتلاف قدرت ، ایمنی سر و صدا و توانایی های هوادار ، این مقاله را بر روند جدی تصمیم گیری درگیر می کند.انتخاب خانواده منطق مناسب برای برنامه های خاص.

کاتالوگ

شکل 1: خانواده های منطقی

مبانی خانواده های منطقی

خانواده های منطق در طراحی مدار دیجیتال مناسب هستند و شامل گروه هایی از مدارهای مجتمع (IC) هستند که با سطح منطق سازگار و الزامات منبع تغذیه کار می کنند.این IC ها ایجاد دروازه های منطقی نهایی ، مانند و ، یا ، نه ، NAND و NOR را که برای انجام عملیات اساسی دیجیتال مناسب هستند ، امکان پذیر می کنند.

خانواده های منطق بر اساس سطح منطق خود طبقه بندی می شوند ، که می تواند مثبت یا منفی باشد.در منطق مثبت ، یک ولتاژ پایین یک "0" منطقی را نشان می دهد ، و یک ولتاژ بالا بیانگر یک "1" منطقی است.این پیکربندی به این معنی است که سیستم در هنگام استفاده از ولتاژ بالا و "خاموش" در ولتاژ کم "روی" است.برعکس ، در منطق منفی ، ولتاژ بالا با یک "0" منطقی مطابقت دارد ، در حالی که یک ولتاژ کم نمایانگر یک "1" منطقی است ، که به طور موثری حالت های روشن و خاموش را در مقایسه با منطق مثبت معکوس می کند.

ساخت خانواده های منطق به فن آوری های نیمه هادی متکی است که از دیودها و ترانزیستورها به عنوان اجزای کلیدی سوئیچینگ استفاده می کنند.دیودها در دو حالت عمل می کنند: آنها هنگام پیشبرد مغرضانه انجام می دهند و در هنگام تعصب معکوس (خاموش) انجام نمی دهند.ترانزیستورها ، که دارای سه پایانه هستند - جمع کننده ، پایه و امیتر - جریان جریان را بین جمع کننده و انتشار دهنده بر اساس ولتاژ اعمال شده در پایه کنترل می کنند.این مکانیسم سوئیچینگ به ترانزیستورها اجازه می دهد تا بین حالت های هدایت و غیر رسانا متناوب باشند.

شکل 2: خانواده های منطقی یک قطبی

مکانیک خانواده های منطق تک قطبی

خانواده های منطق یک قطبی در فناوری نیمه هادی اساسی هستند و فقط از یک نوع حامل بار - چه الکترون ها یا سوراخ ها - برای عملکرد خود استفاده می کنند.این خانواده ها در توسعه مدارهای دیجیتال قابل توجه هستند ، با فن آوری های فلزی-اکسید-هادی (MOS) ، به ویژه MOS مکمل (CMOS) ، از نظر کارایی و قابلیت اطمینان خود ایستاده اند.

شکل 3: ترانزیستورهای NMOS

در هسته اصلی خانواده های منطقی یک قطبی ترانزیستورهای NMOS و PMOS قرار دارند.ترانزیستورهای NMOS از دوپانتهای نوع N در مناطق دروازه خود استفاده می کنند.هنگامی که یک ولتاژ مثبت روی دروازه اعمال می شود ، ترانزیستور NMOS رسانا می شود.این رسانایی بسیار کارآمد است زیرا الکترون ها ، حامل های بار در NMO ها ، سریعتر از سوراخ ها حرکت می کنند.

شکل 4: ترانزیستور PMOS

از طرف دیگر ، ترانزیستورهای PMOS با مواد P از نوع P استفاده می شوند و هنگامی که ولتاژ منفی روی دروازه اعمال می شود ، رفتار می کنند.اگرچه سوراخ ها ، حامل های شارژ در ترانزیستورهای PMOS ، کندتر از الکترون ها هستند ، اما ایمنی سر و صدای بهتری را ارائه می دهند و باعث می شود ترانزیستورهای PMOS در محیط هایی با تداخل زیاد ارزشمند باشد.

شکل 5: فناوری CMOS

فناوری CMOS ترانزیستورهای NMOS و PMOS را به گونه ای ادغام می کند که باعث افزایش راندمان انرژی و طراحی مدار می شود.با ترکیب این دو نوع ترانزیستور ، مدارهای CMOS می توانند عملکردهای منطقی را بدون نیاز به مقاومتهای کشش انجام دهند ، که هم پیچیدگی مدار و هم مصرف برق را کاهش می دهد.مزایای CMOS Technology-از جمله مصرف کم مصرف ، مقرون به صرفه بودن ، قابلیت اطمینان زیاد و مقاومت شدید در برابر نویز-آن را برای دستگاه های باتری و محیط هایی که در آن ایمنی سر و صدا جدی است ، ایده آل می کند.با این حال ، مدارهای CMOS محدودیت هایی دارند.آنها نسبت به نوسانات ولتاژ حساس هستند و به ویژه در برابر تخلیه الکترواستاتیک آسیب پذیر هستند که می تواند منجر به مشکلات عملکرد یا حتی آسیب رساندن به مدار شود.

شکل 6: خانواده های منطق دو قطبی

نقش خانواده های منطق دو قطبی در الکترونیک مدرن

خانواده های منطق دو قطبی یک فناوری اساسی در طراحی مدار دیجیتال هستند و با استفاده از هر دو نوع حامل بار - الکترونهای الکترون و سوراخ - برای انجام عملیات منطقی.این خانواده ها به اجزای نیمه هادی کلیدی مانند دیودها و ترانزیستورهای اتصال دو قطبی (BJTS) متکی هستند.رفتار BJT در این مدارها دو دسته اصلی را تعریف می کند: خانواده های منطقی اشباع و غیر اشباع.

خانواده های منطق اشباع: مانند منطق ترانزیستور-ترنسیستور (TTL) ، منطق ترانزیستور دیود (DTL) و منطق ترانزیستور مقاومت (RTL) ، با هدایت BJT ها به اشباع عمیق عمل می کنند.این اشباع از ایمنی سر و صدای قوی و عملکرد سوئیچینگ پایدار اطمینان می دهد و این خانواده ها را برای محیط هایی که حفظ یکپارچگی سیگنال خواستار است ، ایده آل می کند.به عنوان مثال ، TTL به دلیل طراحی ساده و عملکرد قابل اعتماد در شرایط متنوع به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرد.با این حال ، تجارت برای این مصونیت و قابلیت اطمینان سر و صدا مصرف انرژی بالاتر است.هنگامی که BJT ها کاملاً اشباع شوند ، قدرت بیشتری را به خود جلب می کنند ، که می تواند در برنامه هایی که راندمان انرژی خطرناک است ، مانند دستگاه های قابل حمل یا باتری ، یک ضرر باشد.

خانواده های منطقی غیر اشباع: از جمله منطق همراه با امیت (ECL) و Schottky TTL ، از رانندگی BJT ها به اشباع کامل خودداری کنید.در عوض ، آنها در مناطق فعال یا خطی ترانزیستورها فعالیت می کنند.این رویکرد به طور قابل توجهی مصرف برق را کاهش می دهد و سرعت سوئیچینگ را افزایش می دهد ، و این خانواده ها را به ویژه برای محاسبات پر سرعت و سایر برنامه های دیجیتال خواستار مناسب می کند.

شکل 7: منطق همراه با امیت (ECL)

ECL از توانایی خود در دستیابی به سرعت سوئیچینگ بسیار سریع استفاده می کند.ECL با حداقل تأخیر در انتشار و نوسانات ولتاژ کم ، برای کارهای محاسباتی با کارایی بالا طراحی شده است که در آن پردازش سریع داده ها و زمان پاسخ سریع مهم است.سرعت و دقت آن ، آن را به عنوان انتخاب ارجح در برنامه هایی که نیاز به عملکرد سطح بالا دارند ، مانند سیستم های محاسباتی پیشرفته است.

شکل 8: Schottky TTL

Schottky TTL با ترکیب دیودهای Schottky ، که از ورود BJT ها به اشباع کامل جلوگیری می کند ، بر TTL سنتی بهبود می یابد.این نوآوری طراحی باعث می شود زمان سوئیچینگ سریعتر ، Schottky TTL گزینه ای عالی برای مدارهای دیجیتالی با سرعت بالا باشد که هم به پاسخ سریع و هم به مصرف انرژی کارآمد نیاز دارند.

ویژگی های خانواده های منطقی مختلف

اثربخشی یک خانواده منطقی توسط چندین ویژگی کلیدی تعیین می شود که هر یک بر عملکرد و قابلیت اطمینان مدارهای دیجیتال تأثیر می گذارد.

ویژگی های خانواده های منطقی مختلف
سرعت عملیاتی	یکی از سنگین ترین خصوصیات سرعت عملیاتی ، که اندازه گیری سریع یک دروازه منطقی می تواند آن را تغییر دهد خروجی در پاسخ به تغییر در ورودی.این سرعت برای برنامه ها استفاده می شود جایی که پردازش سریع مورد نیاز است ، زیرا مستقیماً بر کل تأثیر می گذارد عملکرد مدار.
طرفدار و طرفدار	فن در حداکثر تعداد اشاره دارد ورودی یک دروازه منطقی واحد می تواند کنترل کند.یک فن بالاتر امکان بیشتری را فراهم می کند عملیات منطق پیچیده در یک دروازه واحد ، پیچیده تر طرح های مدار.از طرف دیگر ، Fan-Out نشان می دهد که چند دروازه دیگر a خروجی منفرد می تواند به طور موثری رانندگی کند.این برای حفظ قابل توجه است یکپارچگی سیگنال هنگامی که خروجی یک دروازه واحد نیاز به اتصال به چندگانه دارد ورودی ها
مصونیت سر و صدا	مصونیت از سر و صدا معیاری است که چقدر خوب است مدار می تواند بدون تغییر عملکرد آن در برابر اختلالات الکتریکی مقاومت کند. مصونیت از سر و صدای زیاد در محیط هایی با بسیاری از الکتریکی مورد نیاز است سر و صدا ، زیرا تضمین می کند که مدار قابل اعتماد باشد و کار کند به درستی با وجود تداخل احتمالی.
اتلاف قدرت	اتلاف برق یکی دیگر از پویا است مشخصه ، شامل هر دو مؤلفه استاتیک و پویا.ثابت اتلاف به دلیل ولتاژ اعمال شده در سراسر دروازه اتفاق می افتد ، حتی اگر خیر سوئیچینگ اتفاق می افتد.با این حال ، اتلاف پویا از واقعیت ناشی می شود تعویض فعالیت در دروازه و تحت تأثیر هر چند بار است دروازه کار می کند.مدیریت مصرف انرژی ، بهره وری انرژی را تضمین می کند ، کاهش می یابد ایجاد گرما و افزایش عمر تجهیزات.

خانواده های منطق چگونه متفاوت هستند؟

TTL (منطق ترانزیستور-ترنسیستور): به دلیل دوام و عملکرد قابل اعتماد شناخته شده است.این یک تأخیر در انتشار متوسط ​​را ارائه می دهد ، به این معنی که می تواند حالت ها را با سرعت معقول تغییر دهد.این امر باعث می شود TTL برای سیستم های میراث و تجهیزات آزمایش ، انتخابی قوی باشد ، جایی که عملکرد مداوم در شرایط متنوع مفید است.استحکام آن به آن اجازه می دهد تا عوامل مختلف محیطی را به طور مؤثر کنترل کند و از عملکرد قابل اعتماد در طول زمان اطمینان حاصل کند.

CMOS (مکمل فلز-اکسید-هادی): از مصرف انرژی بسیار کم و مصونیت عالی از سر و صدای آن متمایز است.این ویژگی ها باعث می شود CMO ها برای دستگاه ها و برنامه های باتری که در آن راندمان انرژی و عملکرد پایدار جدی است ، ایده آل باشد.حداقل قرعه کشی قدرت نه تنها عمر باتری را افزایش می دهد بلکه باعث کاهش تولید گرما می شود ، که در دستگاه های جمع و جور یا قابل حمل مفید است.علاوه بر این ، مدارهای CMOS در محیط هایی با سر و صدای الکتریکی قابل اعتماد عمل می کنند و عملکرد مداوم را حفظ می کنند.

ECL (منطق همراه با امیت): با سرعت سوئیچینگ فوق العاده سریع آن متمایز است.این ویژگی آن را به عنوان انتخاب ارجح برای سیستم های محاسبات پر سرعت و ارتباطات ، که در آن پردازش سریع داده ها و انتقال پویا است ، قرار می دهد.طراحی ECL تأخیر انتشار را به حداقل می رساند و به آن اجازه می دهد تا با سرعت بسیار بالایی کار کند ، که در برنامه هایی که نیاز به کنترل سریع و کارآمد دارند ، مناسب است.

جوانب مثبت و منفی خانواده های منطق مختلف

CMOS: به دلیل راندمان قدرت عالی و مقاومت شدید در برابر نویز الکتریکی بسیار ارزشمند است و آن را برای کاربردهای کم مصرف و حساس به سر و صدا ایده آل می کند.این دستگاه مخصوصاً مناسب برای دستگاههای باتری است که در آن افزایش عمر باتری و حفظ عملکرد پایدار اولویت های اصلی است.با این حال ، CMO ها در مقایسه با سایر خانواده های منطق مانند TTL و ECL تمایل به کار با سرعت کندتر دارند ، که می تواند محدودیتی در سناریوهایی باشد که نیاز به پردازش با سرعت بالا دارند.

TTL: به دلیل استحکام و قابلیت اطمینان شناخته شده است.این مقاومت در برابر آسیب الکتریکی مقاومت خوبی دارد و در شرایط مختلف آن را بادوام می کند.علاوه بر این ، سازگاری TTL با خانواده های منطق مختلف ، آن را متنوع می کند ، به خصوص در محیط های یکپارچه سیستم که در آن انواع منطق چندگانه باید یکپارچه با هم کار کنند.با این حال ، TTL قدرت بیشتری نسبت به CMOS مصرف می کند ، که می تواند در کاربردهای حساس به انرژی یک ضرر باشد.به همین ترتیب ، می توان آن را تحت تأثیر نوسانات دما قرار داد ، و به طور بالقوه قابلیت اطمینان آن را در شرایط شدید به خطر می اندازد.

ECL: در شرایطی که نیاز به سرعت عملیاتی بسیار سریع دارند ، مانند محاسبات با سرعت بالا و ارتباط از راه دور.عملکرد آن حتی در شرایط مختلف دما سازگار است ، و آن را در محیط های خواستار قابل اعتماد می کند.با این حال ، مصرف بالای انرژی ECL می تواند یک اشکال قابل توجه باشد ، به ویژه در برنامه هایی که راندمان انرژی جدی است.همچنین ، ایمنی سر و صدای پایین تر آن را برای محیط هایی که تداخل الکتریکی قابل توجهی دارند ، مناسب تر می کند.

استفاده از دروازه های منطقی در فناوری

دروازه های منطق برای زمینه ها و فناوری های بی شماری نهایی هستند ، در حالی که هر یک از خانواده های منطقی مزایای خاصی را ارائه می دهند که باعث می شود آنها برای برنامه های خاص مناسب باشند.تجزیه و تحلیل این برنامه ها به برجسته کردن چگونگی افزایش منطق دیجیتال قابلیت ها و عملکرد سیستم های مدرن کمک می کند.

استفاده از دروازه های منطقی در فناوری
CMOS	فناوری CMOS به طور گسترده ای در آن استفاده می شود دستگاه هایی که مصرف انرژی کم و پایداری بالا جدی هستند. ریزپردازنده ها ، الکترونیک خودرو و وسایل پزشکی اغلب به آنها متکی هستند CMO به دلیل استفاده از انرژی کارآمد و عملکرد قابل اعتماد.این CMO را برای برنامه هایی که در آن حفظ انرژی و حفظ انرژی ایده آل است ایده آل می کند قابلیت اطمینان مانند دستگاه های باتری و صرفه جویی در زندگی لازم است تجهیزات پزشکی.
TTL	فناوری TTL معمولاً در یافت می شود محیط های صنعتی ، به ویژه در گیاهانی که از سیستم میراث استفاده می کنند.این است همچنین به طور گسترده در ابزارهای آزمایش استفاده می شود.دوام و سازگاری TTL با فن آوری های قدیمی تر ، آن را به یک انتخاب عملی تبدیل می کند که در آن سیستم طولانی مدت قابلیت اطمینان و ادغام آسان با سیستم های موجود ضروری است.آن را ادامه ارتباط در این تنظیمات گواهی بر طراحی قوی آن و سازگاری
ECL	ECL انتخاب در مناطقی است که تقاضای سرعت پردازش فوق العاده سریع ، مانند محاسبات پر سرعت ، نظامی عملیات و فناوری هوافضا.توانایی ECL برای تغییر سریع حالتها و حساسیت کم آن به تغییرات دما از مزایای قابل توجهی در است این محیط های با کارایی بالا.این امر باعث می شود ECL در برنامه ها لازم باشد جایی که پردازش سریع داده ها و عملکرد مداوم تحت حرارت متفاوت از شرایط استفاده می شود ، مانند سیستم های محاسباتی پیشرفته و سخت افزار نظامی مأموریت.

پایان

تجزیه و تحلیل جامع خانواده های منطق همانطور که در مقاله به تفصیل اشاره شده است ، بر اهمیت جدی آنها در طراحی و عملکرد مدارهای دیجیتال تأکید می کند.با حفر مشخصات CMOS ، TTL و ECL ، این بحث در خط مقدم ملاحظات استراتژیک مورد نیاز برای بهینه سازی عملکرد سیستم دیجیتال در برنامه های مختلف قرار می گیرد.ترکیب خانواده های منطق مختلف منظره ای را نشان می دهد که در آن گزینه های فناوری با تعادل سرعت ، بهره وری انرژی و استحکام محیطی ، هر یک متناسب با زمینه های عملیاتی خاص است.

با پیشرفت فن آوری های دیجیتال ، انتخاب خانواده های منطق مناسب یک چالش پویا و اساسی است و نیاز به درک ظریف از قابلیت ها و محدودیت های این مؤلفه های اساسی دارد.اکتشاف برنامه های کاربردی آنها-از ریزپردازنده های قدرتمند تا امکان ارتباط از راه دور با سرعت بالا-نه تنها تطبیق پذیری این فناوری ها بلکه نقش در حال تحول آنها در شکل گیری آینده الکترونیک دیجیتال را نشان می دهد.با توجه به این اصول و تجارت برای مهندسان و طراحان که به دنبال نوآوری و بهبود نسل بعدی دستگاه های الکترونیکی هستند ، ضروری است.

سوالات متداول [سؤالات متداول]

1. توضیحات خانواده های منطقی چیست؟

خانواده های منطق گروه هایی از دروازه های منطقی الکترونیکی هستند که از ویژگی های الکتریکی مشابهی برخوردار هستند و از همان فناوری استفاده می کنند.این خانواده ها عمدتاً در نوع فناوری مورد استفاده برای ایجاد دروازه ، سرعت عملیاتی آنها ، مصرف برق و سازگاری با سایر مؤلفه ها متفاوت هستند.

2. خانواده های تراشه منطقی چیست؟

چندین خانواده اصلی تراشه منطق وجود دارد که هر یک توسط فناوری مدار خاص خود تعریف شده اند:

TTL (منطق ترانزیستور-ترنسیستور): از ترانزیستورهای دو قطبی برای دروازه های خود استفاده می کند.

CMOS (مکمل فلز-اکسید-هادی): از هر دو ترانزیستور NMOS و PMOS استفاده می کند و ایمنی سر و صدای بالایی و مصرف کم مصرف را ارائه می دهد.

ECL (منطق همراه با امیتر): با استفاده از ترانزیستورهای دو قطبی به سرعت بالا شناخته شده است.

MOS (فلز-اکسید-هادی): شامل NMO ها و PMO ها ، در درجه اول قبل از استفاده از CMO به دلیل نیازهای پایین تر ، مورد استفاده قرار می گیرد.

3. خانواده های منطقی PDF چیست؟

"PDF Families Logic Families" به طور معمول به یک سند یا یک برگه داده اشاره دارد که اطلاعات مفصلی در مورد خانواده های منطق مختلف ارائه می دهد.این اسناد شامل توصیف ویژگی ها ، برنامه ها ، مزایا و محدودیت های آنها است.آنها برای مهندسان و طراحان که خانواده های منطقی مناسب را برای مدارهای الکترونیکی خود انتخاب می کنند ، بسیار ارزشمند هستند.

4- مفاهیم اساسی TTL ECL MOS و CMOS چیست؟

TTL: از ترانزیستورهای اتصال دو قطبی استفاده می کند.این با سرعت متوسط ​​و مصرف برق مشخص می شود و اغلب در صورت عدم سر و صدا زیاد استفاده می شود.

ECL: از آمپلی فایرهای دیفرانسیل استفاده می کند و آن را به سریعترین خانواده منطقی و یک نفر با بالاترین مصرف برق تبدیل می کند.برای محاسبات پر سرعت که زمان جدی است مناسب است.

MOS: از ترانزیستورهای-اثر-اثر-اکسید-سیما-هادی استفاده می کند (MOSFETS).این به دلیل سادگی و امپدانس ورودی بالا محبوب بود اما تا حد زیادی توسط CMO جایگزین شده است.

CMOS: ترانزیستورهای NMOS و PMOS را برای دستیابی به مصرف کم مصرف ، ایمنی سر و صدای زیاد و سرعت متوسط ​​ترکیب می کند.به دلیل تطبیق پذیری و کارآیی آن ، این خانواده منطقی است که امروزه بسیار پرکاربرد است.

5- عملکرد اساسی خانواده منطق TTL چیست؟

خانواده منطق TTL در درجه اول سیگنال های دیجیتالی را در مدارها پردازش می کنند.دستگاه های TTL عملیات منطقی مانند و ، یا ، نه ، NAND ، NOR ، XOR و XNOR را انجام می دهند و سیگنال های ورودی را به یک خروجی تعریف شده بر اساس دروازه منطقی مورد استفاده ترجمه می کنند.TTL به دلیل استحکام و اجرای نسبتاً ساده در برنامه های مختلف دیجیتال شناخته شده است.