使用相同的核心电子元件开发具有逻辑门的不同产品

作者：Atul Patel，德州仪器产品营销部

使用 AND、OR、XOR、NOT、NAND、NOR 和 XNOR 等数字逻辑门和其他相关逻辑功能通常是定义电信号之间的关系以及它们在任何电子系统中如何相互连接的基础。逻辑门是使微处理器、现场可编程门阵列 (FPGA) 和其他数字设备等更大、更复杂的设备能够以最佳方式执行其预期功能的基本构建块。

逻辑门功能使系统设计人员能够采用相似的核心电子元件并开发完全不同的最终产品。例如，微控制器、传感器、输入/输出 (I/O) 设备和电源管理的简单组合可以成为温度监视器、恒温器、数字温度计或多个其他设备，其中逻辑门起着关键作用以不同方式组合核心组件之间的信号，从而产生独特的应用。

毫无疑问，逻辑门本身是一些最简单的电子元件，通常不在任何系统设计考虑的最前沿。但它们是帮助系统设计人员将一组电子元件转变为可以挽救生命、避免车祸、拍照或帮助完成无数其他任务的应用程序的关键设备。

许多工程师在他们的职业生涯中根据过去的经验和挑战开发了自己的逻辑功能实现库。您可以使用电阻器和场效应晶体管 (FET) 等分立元件来实现逻辑功能，例如 AND、OR、NOR 和 XOR，以及简单的电压电平转换。尽管使用分立元件来实现逻辑功能的方法一直在下降，但您仍可能在电子系统设计中依赖分立逻辑门实现。

由于其相对简单以及工程界对分立元件的全面熟悉，分立逻辑功能实现仍然很受欢迎。近年来，集成或专用数字逻辑集成电路 (IC) 在尺寸、功率、成本、易于设计和功能集成方面取得了巨大进步。今天，对于许多应用而言，逻辑 IC 提供了比分立电阻器和晶体管更好的系统级价值主张。

不幸的是，由于与熟悉的离散方法相关的“惯性”，许多工程师错过了专用逻辑功能的好处。逻辑 IC 可以通过减少组件数量、减少印刷电路板 (PCB) 面积以及提高系统灵活性和稳健性来帮助您改进设计并实现设计目标，从而降低应用的整体生命周期成本。让我们更深入地探讨所有这四个相对于离散逻辑功能实现的优势。

组件数

用于实现电子设备或系统功能的电子元件（例如 IC、无源器件和分立器件）的数量在决定市场成功方面发挥着关键作用。现代电子系统通常旨在满足多个设计目标，例如低功耗、更小的外形尺寸、更低的开发成本、更低的单位成本和增强的热性能。

为了说明离散逻辑功能实现和集成逻辑 IC 实现之间组件数量差异的影响，图 1 显示了一个简单的逻辑选择，其中两个信号需要具有 OR 功能才能在系统内传达错误信号。

图 1：使用集成和分立解决方案的双输入或门功能实现。

如图1所示，分立方案使用五个组件，而集成解决方案使用单个 IC 来实现 OR 功能。这对系统意味着什么？具有五个组成部分的离散方法往往比集成方法效率低得多。

考虑低功耗模式等应用，这些应用需要系统组件的电流泄漏极低，以最大限度地延长电池寿命或满足能源使用目标。更多的分立元件通常意味着更低的功率效率。更多的组件也意味着更多的潜在故障点，这会导致系统可靠性降低，从而提高保修和服务成本。更少的组件意味着更少的设备可用于设计认证和采购。使用集成逻辑 IC 功能使系统设计人员能够减少系统组件数量，从而以多种方式使设计受益，远远超过实施的组件成本。

PCB面积

PCB 面积也会影响系统外形尺寸、系统构建成本和功能集组合。使用分立器件来实现系统的控制信号是很常见的。然而，分立方法可能会占用宝贵的电路板面积，这可能会使整体设计在外形尺寸方面更小，从而降低成本。

图 2显示了实现来自多个设备的电源良好控制信号的常见示例。分立实现使用八个分立器件，而集成逻辑门需要单个 IC。分立式方法不仅使用许多器件，而且互连这些器件的电路板空间可能会比分立元件的实际尺寸消耗更多的空间。

在许多情况下，系统可能对外形不敏感。在这种情况下，使用集成逻辑门节省 PCB 空间仍然很重要，因为您可以使用节省的电路板面积为应用程序添加额外的功能，并使您的设计与各自市场中的其他设计区分开来。使用集成逻辑门与使用分立元件相关的 PCB 面积节省可能是帮助您达到并超越设计目标的重要因素。

图 2：双输入 AND 函数：集成与离散比较。

在实现稍微复杂的功能时，使用逻辑 IC 与分立器件的影响更为显着。例如，可以使用分立的 N 沟道和 P 沟道 FET 晶体管器件实现简单的单向推挽电平转换，也可以使用为电平转换而设计的专用电路，例如 TI 的 2N7001T。

图 3将常见的离散推挽电平转换实现与集成实现进行了比较。与分立解决方案相比，集成实施方案占用的电路板面积减少 90%，同时还提供更低的泄漏、更好的信号性能和更简单的实施方案。如果分立电平转换器实现出现在设计中的多个位置，您只需迁移到集成解决方案即可实现相当大的电路板空间和功耗节省。

图 3：集成与离散电平转换。

设计灵活性和稳健性

与设计人员经常忽略的分立解决方案相比，使用集成逻辑门解决方案具有额外的好处。设计灵活性是在设计开发过程中设计参数发生变化时可以提供极大帮助的好处之一。

回到前面提到的电源良好实现（图 2），如果某些信号的电压电平从 1.8 V 变为 5 V 会怎样？在这种情况下，分立解决方案将需要不同的元件值来处理不同的电压电平。集成解决方案无需更改，因为它可以支持 1.8 V 和 5 V 之间的电压电平范围。

现在想象一下，这个电源良好电路出现在一个设计中的 10 个不同位置。在 10 个地方更改离散解决方案将消耗宝贵的工程时间，这会影响上市时间，更不用说整体项目成本了。集成逻辑门功能的设计灵活性是一项关键优势，可帮助您满足设计进度并克服设计障碍。

离散逻辑门的实现本质上涉及许多相互连接的组件，这些组件组合起来完成一个功能。从上面的例子可以看出，即使是简单的离散实现也可能涉及超过 8 个不同的设备，而更复杂的实现可能有 20 多个组件。分立式设计中组件的绝对数量增加了可能导致系统故障的组件故障或焊点不良的机会。对于系统供应商来说，在现场修复故障系统可能会非常昂贵。此外，就在大量分立器件中寻找故障组件而言，尝试修复分立电路可能非常耗时。使用集成逻辑门解决方案减少了信号互连的数量，进而，减少可能发生故障的互连数量。系统稳健性是您可以通过选择集成逻辑门和转换功能来实现的另一个好处。

设计生命周期成本

到目前为止，我们已经讨论了使用集成逻辑门功能与分立解决方案相比的各个优势。但是，这些好处的综合效果是您可以降低项目的整体生命周期成本。该成本不仅包括开发成本，还包括在其使用寿命期间维修和维护系统的成本。此外，停机成本可能很高，在权衡更强大的系统的好处时，也应该考虑到这一点。系统设计人员、架构师和组件工程师在为其设计选择、实施和采购逻辑功能时，需要考虑集成逻辑解决方案的综合优势。

您如何将这些信息用于您的下一个项目？只需了解您在哪里使用分立器件来实现设计中的逻辑功能，然后将这些功能映射到当今可用的大量集成逻辑解决方案。集成逻辑解决方案的来源是逻辑和翻译登录页面，您可以在其中找到许多不同系列的逻辑门解决方案。探索可帮助您完成设计的集成逻辑解决方案。

审核编辑 黄昊宇