Circuit digital
Această intrare sau secțiune pe subiectul electronicii nu citează sursele necesare sau cele prezente sunt insuficiente. |
Un circuit digital , în electronică digitală , este un circuit electronic a cărui funcționare se bazează pe un număr finit de niveluri de tensiune electrică .
Acest tip de circuit contrastează cu cel al circuitului analogic care, prin definiție, se bazează pe un număr infinit de niveluri de tensiune.
fundal
În 1985, producătorul Philips a introdus două noi familii logice în tehnologia CMOS, prima, numită HC, avea noi caracteristici, pragul nivelului de comutare fiind stabilit la jumătate din tensiunea de alimentare, care putea varia într-un interval relativ larg (2-6 volți). A doua familie, numită HCT, a fost propusă ca înlocuitor direct pentru TTL, având în avantajul său un consum de curent extrem de redus, păstrând pragul de comutare și tensiunea de alimentare (VCC), identice cu TTL.
Această tehnologie a fost puternic încurajată de producerea de componente integrate capabile să îndeplinească cele mai disparate funcții, deși este posibil să se realizeze același circuit chiar folosind componente discrete (cum ar fi tranzistoarele ).
Nivele logice
În majoritatea cazurilor există doar două niveluri de tensiune identificate cu unul sau zero din logica binară (sau booleană ). Cele două niveluri de tensiune utilizate în circuitele digitale reprezintă numere binare 0 și 1, numite niveluri logice .
În general, asociem nivelul scăzut (de obicei reprezentat cu litera L, de la scăzut) la 0 și nivelul înalt (de obicei reprezentat cu litera H, de la înalt) la 1, chiar dacă este posibil să se utilizeze reprezentarea opusă.
Este obișnuit să se permită o anumită toleranță la tensiunea utilizată; de exemplu, o tensiune între 0 și 2 volți poate reprezenta logica 0, în timp ce o tensiune între 3 și 5 volți poate reprezenta logica 1. Prin urmare, o tensiune între 2 și 3 volți ar fi invalidă și ar putea exista numai în condiții de eroare sau în timpul unei tranziții la nivel logic care nu are loc niciodată instantaneu.
Exemple de tensiuni legate de nivelurile logice, în cele mai comune familii logice ale circuitelor integrate:
| Tehnologie | Tensiunea L | Tensiunea H. | Notă |
|---|---|---|---|
| CMOS | 0V - VCC / 2 | VCC / 2 - VCC | VCC între 3V și 18V |
| TTL | 0V - 0,8V | 2V - VCC | VCC între 4,75V și 5,25V |
Notă: VCC = tensiunea de alimentare.
Comparând tensiunile de alimentare ale acestor două familii de circuite integrate logice, este evident intervalul de tensiune mai mare în care familia CMOS poate funcționa comparativ cu TTL. Acesta din urmă are o gamă foarte redusă de alimentare, însă permite viteze de funcționare mai mari, chiar dacă în detrimentul unui consum de curent mai mare; se pot obține viteze chiar mai mari cu tehnologia ECL ( emitter-coupled logic ), care necesită curenți chiar mai mari cu timpi de comutare apropiați de 1 nS. Diferitele familii CMOS care s-au succedat de-a lungul timpului, prezentate de diferiți producători, au avut totuși îmbunătățiri semnificative ale vitezei: de la 80 nS din primul, 4000B în tehnologie de poartă metalică, până la 3 nS ACL (Advance CMOS Logică), întotdeauna cu aproximativ 2 nanowatti de disipare pe ușă.
Prelucrarea semnalelor digitale
Procesarea semnalului se efectuează urmând regulile algebrei booleene . Blocurile de bază ale procesării sunt porți logice sau porți . Acestea vă permit să efectuați operațiuni de bază precum AND , OR , NOT și combinații ale acestora, cum ar fi NOR , XOR și XNOR . Prin combinarea mai multor porți logice, se creează circuite logice mai complexe, cum ar fi flip-flop-uri , circuite capabile să stocheze informații elementare și, în general, rețele logice complexe.
Logica combinatorie și secvențială
În general, circuitele digitale pot implementa atât logica combinatorială, cât și logica secvențială .
Tehnologii diferențiate
Referindu-ne la un singur cip , obținut din placheta de siliciu, legile fizice precise împiedică obținerea dispozitivului ideal, având viteză maximă de comutare și consum minim, caracteristici opuse unul față de celălalt. Prin urmare, cercetarea continuă în două direcții: într-una încercăm să obținem viteza maximă acceptând cel mai mare consum de curent, în cealaltă acordăm prioritate obținerii celui mai mic consum posibil chiar în detrimentul vitezei. Motivul acestor direcții opuse ale cercetării constă în cererea pieței. Exemple de utilizare extremă a celor două tipuri sunt sistemele de arme, unde prioritatea este viteza, și echipamentele prin satelit și dispozitivele portabile, unde prioritatea este de a obține cel mai mic consum posibil.
Întotdeauna o prioritate este și cursa de reducere a zonei de siliciu ocupată de dispozitiv, prin creșterea așa-numitei scale de integrare , deoarece are un impact proporțional asupra costului de producție al circuitului integrat. Din acest motiv, producătorii de cipuri investesc sume mari de bani pentru dezvoltarea submicrometrelor care permit integrarea unor sisteme digitale întregi (telefoane mobile, computere, sisteme de ghidare etc.) pe un singur dispozitiv.
Diferitele și numeroasele tehnologii care s-au succedat de-a lungul timpului au fost denumite „familii”, prima a fost RTL ( logica rezistor-tranzistor ), urmată de DTL ( logica diodă-tranzistor ), care a intrat și în perimare odată cu apariția de TTL ( logica tranzistor-tranzistor ). Cipurile utilizate în procesoarele de computer înainte de apariția microprocesorului aparțineau acestei familii. În prezent este pe piață în versiunea rapidă și în versiunea cu consum redus. Familia CMOS este cea care permite obținerea celei mai mari densități de tranzistoare pe milimetru pătrat, deoarece are componente cu dimensiunea de 65 nanometri .
Pe cipurile mai complexe este posibil să se integreze câteva milioane de porți echivalente în care o poartă este celula elementară digitală NAND2.
