Een uitgebreide gids voor het bouwen van digitale schakelingen

Digitale schakelingen of digitale elektronica zijn elektronica die digitale signalen gebruikt. Ze verschillen van analoge circuits doordat analoge circuits werken op analoge signalen waarvan de werking veel meer onderhevig is aan signaalverzwakking, fabricagetolerantie en ruis. Meestal gebruiken ontwerpers grote assemblages van logische poorten op geïntegreerde circuits om digitale circuits te maken.

In deze gebruiksvriendelijke gids laten we u alles weten over digitale schakelingen. Lees verder voor meer informatie.

Een korte geschiedenis van digitale circuits

In 1705 verfijnde Gottfried Wilhelm Leibniz het binaire getallenstelsel. Leibniz stelde vast dat door het binaire systeem te gebruiken, het mogelijk was om de principes van rekenkunde en logica aan te sluiten. Halverwege de 19e eeuw bedacht George Boole de digitale filosofie zoals we die nu kennen. Later, in 1886, legde Charles Sanders Peirce uit hoe wetenschappers logische bewerkingen konden uitvoeren door elektrische schakelcircuits te schakelen. Toen begonnen ontwerpers in plaats van relais voor logische bewerkingen vacuümbuizen te gebruiken.

Met de ontwikkeling van digitale computers na de Tweede Wereldoorlog, verving numerieke berekening analoog. Al snel namen puur elektronische circuitelementen het over van hun mechanische en elektromechanische tegenhangers.

In 1959 vonden Mohamed Atalla en Dawon Kahng de MOSFET-transistor uit, die een dramatische revolutie teweegbracht in de elektronica-industrie. Vanaf het einde van de 20e eeuw speelde de MOSFET-transistor een integrale rol bij het bouwen van digitale schakelingen. Momenteel is het wereldwijd het populairste halfgeleiderapparaat.

Aanvankelijk had elke chip met geïntegreerde schakelingen slechts een paar transistoren. Naarmate de technologie vorderde, werd het mogelijk om miljoenen MOSFET-transistoren in een enkele chip te plaatsen. Tegenwoordig kunnen ontwerpers miljarden MOSFET-transistoren in een enkele chip plaatsen. Het is een bewijs van hoe ver digitale circuits zijn gevorderd sinds hun begindagen.

2. Eigenschappen van digitale schakelingen

Een van de grootste redenen waarom digitale circuits zeer toegankelijk zijn, zoals we eerder al zeiden, is dat het gemakkelijk is om ze digitaal weer te geven zonder dat ze door ruis worden aangetast. Zolang het geluid dat tijdens de transmissie wordt opgevangen bijvoorbeeld niet voldoende is om te voorkomen dat de route wordt geïdentificeerd, kunnen opeenvolgende audiosignalen zonder fouten worden gereconstrueerd in de orde van 1 s en 0 s.

Om een ​​nauwkeurigere weergave in een digitaal systeem te krijgen, kunt u het signaal weergeven met meer binaire cijfers. Daar zijn natuurlijk meer digitale circuits voor nodig, maar aangezien elk nummer door dezelfde soort hardware wordt verwerkt, is het systeem eenvoudig schaalbaar. De zaken zijn anders met een analoog systeem dat fundamentele verbeteringen in de ruiskarakteristieken en lineariteit nodig heeft om een ​​nieuwe resolutie te produceren.

Waar u computergestuurde digitale systemen gebruikt, is het mogelijk om veel meer functies toe te voegen met behulp van softwarerevisie. Met andere woorden, u hebt geen hardwarewijzigingen nodig. Bovendien kunt u eventuele verbeteringen in uw digitale systeem buiten de fabriek doorvoeren door alleen de software bij te werken.

Een andere eigenschap van digitale circuits is dat ze een meer toegankelijke opslag van informatie mogelijk maken. Dit komt omdat digitale systemen immuun zijn voor interferentie en gegevens kunnen opslaan en ophalen zonder de prestaties te verminderen.

Veel van de nieuwste digitale systemen vertalen continu analoge systemen naar digitale signalen. Dit kan kwantiseringsfouten veroorzaken. Om deze fouten tot een minimum te beperken, moet u ervoor zorgen dat het digitale systeem voldoende digitale gegevens kan opslaan om het signaal met een gewenste mate van getrouwheid weer te geven.

3. Constructie van digitale schakelingen

Ingenieurs gebruiken verschillende manieren om logische poorten te bouwen. We zullen er hieronder enkele onderzoeken.

3.1 Constructie met logische poorten

Fabrikanten van digitale circuits gebruiken meestal kleine elektronische circuits die bekend staan ​​als logische poorten om digitale cursussen te maken. Met deze logische poorten is het mogelijk om combinatorische logica te creëren. Elke logische poort werkt op logische signalen om een ​​functie van Booleaanse logica uit te voeren. Over het algemeen gebruiken ontwerpers elektronisch gestuurde schakelaars om logische poorten te maken. Meestal zijn deze schakelaars transistors. Thermionische kleppen kunnen ook helpen om hetzelfde werk te doen. De uitvoer van één logische poort kan worden ingevoerd in andere logische poorten of deze besturen.

3.2 Constructie met behulp van opzoektabellen

Het tweede type digitale schakelingen is opgebouwd uit opzoektabellen. Doorgaans voeren opzoektabellen vergelijkbare functies uit als digitale circuits op basis van logische poorten. Een belangrijk voordeel van digitale kanalen op basis van opzoektabellen is dat ontwerpers ze gemakkelijk kunnen herprogrammeren zonder de bedrading aan te passen. Met andere woorden, het is gemakkelijk om ontwerpfouten te herstellen zonder de opstelling van de draden te hoeven veranderen. Bij het omgaan met producten met een klein volume geven ontwerpers dus de voorkeur aan programmeerbare logische apparaten boven andere soorten digitale circuits. Bij het ontwerpen van deze programmeerbare logische apparaten gebruiken ingenieurs doorgaans software voor ontwerpautomatisering.

3.3 Geïntegreerde schakelingen

Bij het construeren van geïntegreerde schakelingen gebruiken ingenieurs meerdere transistors op één siliciumchip. Dit is de meest betaalbare manier om een ​​groot aantal onderling verbonden logische poorten te creëren. Gewoonlijk verbinden ontwerpers geïntegreerde schakelingen met elkaar op een printplaat (PCB), een bord dat verschillende elektrische componenten bevat en verbindt met kopersporen.

4. Ontwerp van digitale schakelingen

Bij het ontwerpen van digitale circuits gebruiken ingenieurs verschillende manieren om logische redundantie te verminderen, waardoor de complexiteit van het circuit tot een minimum wordt beperkt. Maar waarom is het essentieel om de circuitcomplexiteit laag te houden? Welnu, minimale complexiteit vermindert het aantal componenten en voorkomt mogelijke fouten, wat op zijn beurt de kosten laag houdt. Enkele van de meest gebruikelijke technieken om logische redundantie te verminderen, zijn Booleaanse algebra, binaire beslissingsdiagrammen, het Quine-McCluskey-algoritme, Karnaugh-kaarten en de heuristische computermethode. Software-ingenieurs gebruiken doorgaans heuristische computermethoden om deze bewerkingen uit te voeren.

4.1 Vertegenwoordiging

Representatie is een essentieel onderdeel als het gaat om het ontwerp van digitale schakelingen. De klassieke ingenieurs die digitale circuits vertegenwoordigen, gebruiken een equivalente set logische poorten waarbij ontwerpers een andere vorm gebruiken om elk logisch symbool weer te geven. Ingenieurs kunnen ook een equivalent systeem van elektronische schakelaars construeren om digitale circuits weer te geven. Representaties hebben meestal numerieke bestandsindelingen voor geautomatiseerde analyse.

4.1.1 Combinatie versus sequentieel

Bij het kiezen van afbeeldingen houden ontwerpers doorgaans rekening met verschillende soorten digitale systemen. De twee gemeenschappelijke groepen van digitale systemen zijn combinatorische systemen en sequentiële systemen. Combinatiesystemen bieden dezelfde uitgangen voor dezelfde ingangen. Sequentiële systemen daarentegen zijn combinatorische systemen die een deel van de uitgangen terugkoppelen als ingangen.

Er zijn nog twee subcategorieën van sequentiële systemen:synchrone sequentiële systemen die in één keer van status veranderen en asynchrone sequentiële systemen die veranderen telkens wanneer de invoer verandert.

4.1.2 Computerontwerp

Een computer is de meest gewone algemene logische apparatuur voor registeroverdracht. De machine is een automatisch binair telraam. Een microsequencer bestuurt de besturingseenheid van het netwerk, dat zelf een microprogramma is. De overgrote meerderheid van computers is synchroon, hoewel er ook asynchrone computers op de markt zijn geweest.

4.2 Ontwerpproblemen in digitale circuits

Aangezien ingenieurs analoge componenten gebruiken in digitale elektronische schakelingen, kan de analoge aard van dergelijke componenten het gewenste digitale gedrag verstoren. Het ontwerp van digitale kanalen moet dus onderwerpen als timingmarges, ruis, capaciteit en parasitaire inductanties beheren.

4.3 Ontwerptools voor digitale schakelingen

Door de jaren heen hebben ingenieurs omvangrijke logische machines ontworpen die gericht zijn op het minimaliseren van kostbare technische inspanningen. Momenteel zijn er voor dit doel computerprogramma's bekend als elektronische ontwerpautomatiseringstools (EDA). Er is bijvoorbeeld maakbaarheidssoftware die uitstekende hulp biedt aan ontwerpers van digitale schakelingen.

4.4 Een logisch circuit testen

De belangrijkste reden waarom ingenieurs een logisch circuit testen om te controleren of het ontwerp voldoet aan de timing en functionele specificaties. Het is van cruciaal belang om elk exemplaar van het digitale kanaal te onderzoeken om er zeker van te zijn dat het fabricageproces geen gebreken heeft geïntroduceerd.

5. Overwegingen bij het ontwerpen van digitale schakelingen

De voortgang van het ontwerp van digitale schakelingen is langzaam maar gestaag verlopen. We volgen deze reis door naar de verschillende logische families hieronder te kijken.

5.1 Relais

Het eerste ontwerp van digitale kanalen bevatte relaislogica. Dit ontwerp was betrouwbaar en goedkoop. Het was echter traag en er waren af ​​en toe mechanische storingen. Er waren meestal tien fanouts die een boog vormden op de contacten.

5.2 Stofzuigers

Vacuümlogica volgde onmiddellijk de relaislogica. Het belangrijkste voordeel van stofzuigers was dat ze snel waren. Stofzuigers produceerden echter veel warmte en de filamenten zouden vaak doorbranden. De ontwikkeling van computerbuizen in de jaren vijftig was een significante verbetering van de holtes, aangezien deze computerbuizen honderdduizenden uren konden draaien.

5.3 Weerstand-transistor logica

Dit was de eerste logische familie van halfgeleiders. De logica van de weerstandstransistor was duizenden keren betrouwbaarder dan buizen. Het verbruikte veel minder stroom en liep koeler. De fan-out was echter erg laag:3 in totaal. Later verhoogde de logica van de diodetransistor de fan-out tot 7 en verminderde het vermogen verder.

5.4 Transistor-transistor logica

Een dramatische verbetering ten opzichte van eerdere logica's, de transistor-transistorlogica had een fan-out van 10. Later verbeterde die fan-out tot 20. Deze logica was ook opmerkelijk snel. De logica wordt nog steeds gebruikt in specifieke digitale circuitontwerpen.

5.5 Emitter gekoppelde logica

Het emitter-gekoppelde model is ongelooflijk snel. Deze logica gebruikt echter veel kracht. Krachtige computers met middelgrote componenten maken veelvuldig gebruik van deze logica.

5.6 CMOS-logica

CMOS-logica is tegenwoordig verreweg de meest populaire logica voor geïntegreerde schakelingen. De logica is snel, biedt een hoge circuitdichtheid en een laag vermogen per logische poort. Zelfs grote snelle computers gebruiken deze logica.

De nieuwste ontwikkelingen op het gebied van digitale schakelingen

Onderzoekers op het gebied van digitale schakelingen hebben de laatste tijd aanzienlijke vooruitgang geboekt. Hieronder staan ​​enkele voorbeelden:

6.1 Gebruik van memristors

In 2009 ontdekten onderzoekers bijvoorbeeld dat memristors kunnen helpen bij het implementeren van Booleaanse staatsopslag. Dit biedt een complete logische familie met kleine hoeveelheden kracht en ruimte met behulp van eenvoudige CMOS-processen.

6.2 De ontdekking van RSFQ

Onderzoekers hebben ook supergeleiding ontdekt. Deze ontdekking maakt het voor ingenieurs mogelijk om rapid single flux quantum (RSFQ) circuittechnologie te ontwikkelen die gebruik maakt van Josephson-juncties in plaats van transistors. Ingenieurs hebben recentelijk geprobeerd puur optische computersystemen te bouwen die digitale informatie kunnen verwerken met behulp van niet-lineaire visuele elementen.

Samenvatting

Digitale circuits vormen de kern van de hedendaagse digitale elektronica en computerverwerking. Met hun lage gevoeligheid voor ruis en kwaliteitsvermindering, hebben deze circuits veel meer de voorkeur boven analoge circuits. En met ingenieurs en onderzoekers die zich wijden aan de vooruitgang op het gebied van digitale kanalen, zullen het ontwerp en de prestaties van deze apparaten alleen maar beter worden.

Bent u op zoek naar digitale schakelingen die perfect aan uw unieke behoeften voldoen? Bij WellPCB zetten we ons in voor het leveren van digitale circuitoplossingen van topkwaliteit aan onze klanten over de hele wereld. Bezoek vandaag nog onze website voor meer informatie over onze diensten.