作者：Atul Patel，德州儀器產品營銷部

使用 AND、OR、XOR、NOT、NAND、NOR 和 XNOR 等數(shù)字邏輯門和其他相關邏輯功能通常是定義電信號之間的關系以及它們在任何電子系統(tǒng)中如何相互連接的基礎。邏輯門是使微處理器、現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 和其他數(shù)字設備等更大、更復雜的設備能夠以最佳方式執(zhí)行其預期功能的基本構建塊。

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

毫無疑問，邏輯門本身是一些最簡單的電子元件，通常不在任何系統(tǒng)設計考慮的最前沿。但它們是幫助系統(tǒng)設計人員將一組電子元件轉變?yōu)榭梢酝炀壬?、避免車禍、拍照或幫助完成無數(shù)其他任務的應用程序的關鍵設備。

許多工程師在他們的職業(yè)生涯中根據過去的經驗和挑戰(zhàn)開發(fā)了自己的邏輯功能實現(xiàn)庫。您可以使用電阻器和場效應晶體管 (FET) 等分立元件來實現(xiàn)邏輯功能，例如 AND、OR、NOR 和 XOR，以及簡單的電壓電平轉換。盡管使用分立元件來實現(xiàn)邏輯功能的方法一直在下降，但您仍可能在電子系統(tǒng)設計中依賴分立邏輯門實現(xiàn)。

由于其相對簡單以及工程界對分立元件的全面熟悉，分立邏輯功能實現(xiàn)仍然很受歡迎。近年來，集成或專用數(shù)字邏輯集成電路 (IC) 在尺寸、功率、成本、易于設計和功能集成方面取得了巨大進步。今天，對于許多應用而言，邏輯 IC 提供了比分立電阻器和晶體管更好的系統(tǒng)級價值主張。

不幸的是，由于與熟悉的離散方法相關的“慣性”，許多工程師錯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)健性來幫助您改進設計并實現(xiàn)設計目標，從而降低應用的整體生命周期成本。讓我們更深入地探討所有這四個相對于離散邏輯功能實現(xiàn)的優(yōu)勢。

組件數(shù)

用于實現(xiàn)電子設備或系統(tǒng)功能的電子元件（例如 IC、無源器件和分立器件）的數(shù)量在決定市場成功方面發(fā)揮著關鍵作用?，F(xiàn)代電子系統(tǒng)通常旨在滿足多個設計目標，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的熱性能。

為了說明離散邏輯功能實現(xiàn)和集成邏輯 IC 實現(xiàn)之間組件數(shù)量差異的影響，圖 1?顯示了一個簡單的邏輯選擇，其中兩個信號需要具有 OR 功能才能在系統(tǒng)內傳達錯誤信號。

圖 1：使用集成和分立解決方案的雙輸入或門功能實現(xiàn)。

如圖1所示，分立方案使用五個組件，而集成解決方案使用單個 IC 來實現(xiàn) OR 功能。這對系統(tǒng)意味著什么？具有五個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用，這些應用需要系統(tǒng)組件的電流泄漏極低，以最大限度地延長電池壽命或滿足能源使用目標。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，這會導致系統(tǒng)可靠性降低，從而提高保修和服務成本。更少的組件意味著更少的設備可用于設計認證和采購。使用集成邏輯 IC 功能使系統(tǒng)設計人員能夠減少系統(tǒng)組件數(shù)量，從而以多種方式使設計受益，遠遠超過實施的組件成本。

PCB面積

PCB 面積也會影響系統(tǒng)外形尺寸、系統(tǒng)構建成本和功能集組合。使用分立器件來實現(xiàn)系統(tǒng)的控制信號是很常見的。然而，分立方法可能會占用寶貴的電路板面積，這可能會使整體設計在外形尺寸方面更小，從而降低成本。

圖 2顯示了實現(xiàn)來自多個設備的電源良好控制信號的常見示例。分立實現(xiàn)使用八個分立器件，而集成邏輯門需要單個 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比分立元件的實際尺寸消耗更多的空間。

在許多情況下，系統(tǒng)可能對外形不敏感。在這種情況下，使用集成邏輯門節(jié)省 PCB 空間仍然很重要，因為您可以使用節(jié)省的電路板面積為應用程序添加額外的功能，并使您的設計與各自市場中的其他設計區(qū)分開來。使用集成邏輯門與使用分立元件相關的 PCB 面積節(jié)省可能是幫助您達到并超越設計目標的重要因素。

圖 2：雙輸入 AND 函數(shù)：集成與離散比較。

在實現(xiàn)稍微復雜的功能時，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 晶體管器件實現(xiàn)簡單的單向推挽電平轉換，也可以使用為電平轉換而設計的專用電路，例如 TI 的 2N7001T。

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

圖 3：集成與離散電平轉換。

設計靈活性和穩(wěn)健性

與設計人員經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。設計靈活性是在設計開發(fā)過程中設計參數(shù)發(fā)生變化時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現(xiàn)（圖 2），如果某些信號的電壓電平從 1.8 V 變?yōu)?5 V 會怎樣？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。集成解決方案無需更改，因為它可以支持 1.8 V 和 5 V 之間的電壓電平范圍。

現(xiàn)在想象一下，這個電源良好電路出現(xiàn)在一個設計中的 10 個不同位置。在 10 個地方更改離散解決方案將消耗寶貴的工程時間，這會影響上市時間，更不用說整體項目成本了。集成邏輯門功能的設計靈活性是一項關鍵優(yōu)勢，可幫助您滿足設計進度并克服設計障礙。

離散邏輯門的實現(xiàn)本質上涉及許多相互連接的組件，這些組件組合起來完成一個功能。從上面的例子可以看出，即使是簡單的離散實現(xiàn)也可能涉及超過 8 個不同的設備，而更復雜的實現(xiàn)可能有 20 多個組件。分立式設計中組件的絕對數(shù)量增加了可能導致系統(tǒng)故障的組件故障或焊點不良的機會。對于系統(tǒng)供應商來說，在現(xiàn)場修復故障系統(tǒng)可能會非常昂貴。此外，就在大量分立器件中尋找故障組件而言，嘗試修復分立電路可能非常耗時。使用集成邏輯門解決方案減少了信號互連的數(shù)量，進而，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換功能來實現(xiàn)的另一個好處。

設計生命周期成本

到目前為止，我們已經討論了使用集成邏輯門功能與分立解決方案相比的各個優(yōu)勢。但是，這些好處的綜合效果是您可以降低項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系統(tǒng)的成本。此外，停機成本可能很高，在權衡更強大的系統(tǒng)的好處時，也應該考慮到這一點。系統(tǒng)設計人員、架構師和組件工程師在為其設計選擇、實施和采購邏輯功能時，需要考慮集成邏輯解決方案的綜合優(yōu)勢。

您如何將這些信息用于您的下一個項目？只需了解您在哪里使用分立器件來實現(xiàn)設計中的邏輯功能，然后將這些功能映射到當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計的集成邏輯解決方案。

審核編輯 黃昊宇