Digitale schakelingontwerp onder de knie: Uw complete gids

Digitale circuits of digitale elektronica zijn elektronica die digitale signalen gebruiken. Ze verschillen van analoge circuits omdat analoge circuits werken op analoge signalen, welke gevoeliger zijn voor signaaldemping, productietoleranties en ruis. Typisch gebruiken ontwerpers grote assemblages van logische poorten op geïntegreerde circuits om digitale circuits te maken.

In deze vriendelijke gids vertellen we u alles over digitale circuits. Lees verder om meer te leren.

Korte geschiedenis van digitale circuits

In 1705 verbeterde Gottfried Wilhelm Leibniz het binaire getallensysteem. Leibniz stelde dat met het binaire systeem de principes van rekenkunde en logica samengevoegd konden worden. In de 19e eeuw bedacht George Boole de digitale filosofie zoals we die vandaag kennen. Later, in 1886, legde Charles Sanders Peirce uit hoe wetenschappers logische operaties konden uitvoeren door elektrische schakelcircuits. Vervolgens begonnen ontwerpers vacuumbuizen te gebruiken in plaats van relais voor logische operaties.

Met de ontwikkeling van digitale computers na de Tweede Wereldoorlog, verving numerieke berekening analoge. Zuivere elektronische circuitelementen overnamen de rol van hun mechanische en elektromechanische tegenhangers.

In 1959 vonden Mohamed Atalla en Dawon Kahng de MOSFET-transistor, die de elektronica-industrie dramatisch revolutioneerde. Vanaf de late 20e eeuw speelde de MOSFET een integrale rol in de bouw van digitale circuits. Momenteel is het de populairste halfgeleider wereldwijd.

Initieel had elke geïntegreerde circuitchip maar een paar transistors. Naarmate de technologie vorderde, werd het mogelijk om miljoenen MOSFET-transistors op één chip te plaatsen. Vandaag kunnen ontwerpers miljarden MOSFET-transistors op één chip plaatsen. Bewijs van hoe ver digitale circuits zijn gevorderd sinds hun vroege dagen.

Eigenschappen van digitale circuits

Een van de grootste redenen dat digitale circuits zo toegankelijk zijn, is dat ze gemakkelijk digitaal voorgesteld kunnen worden zonder dat ruis ze degradeert. Bijvoorbeeld: zolang de opgevangen ruis tijdens transmissie niet voldoende is om de route te verhinderen te identificeren, kunnen opeenvolgende audiosignalen in de volgorde van 1'en en 0'en zonder fouten gereconstrueerd worden.

Voor een nauwkeurigere representatie in een digitaal systeem, kunt u het signaal representeren met meer binaire cijfers. Dat vereist meer digitale circuits, maar aangezien dezelfde hardware elk getal verwerkt, is het systeem eenvoudig schaalbaar. Bij analoge systemen zijn fundamentele verbeteringen in ruiskarakteristieken en lineariteit nodig voor een nieuwe resolutie.

Bij computer-gecontroleerde digitale systemen is het mogelijk om veel meer functies toe te voegen via softwarerevisie. Geen hardwarewijzigingen nodig. Verbeteringen in uw digitaal systeem kunt u buiten de fabriek introduceren door de software te updaten.

Een andere eigenschap: digitale circuits laten gemakkelijkere informatieopslag toe. Digitale systemen zijn immuun voor interferentie en kunnen data opslaan en ophalen zonder prestatieverlies.

Veel moderne digitale systemen vertalen continue analoge systemen naar digitale signalen. Dit kan kwantisatiefouten veroorzaken. Om deze te minimaliseren, zorg dat het digitaal systeem voldoende digitale data kan opslaan om het signaal met een gewenste mate van getrouwheid weer te geven.

Constructie van digitale circuits

Ingenieurs gebruiken diverse manieren om logische poorten te construeren. We onderzoeken er enkele.

Constructie met logische poorten

Fabrikanten van digitale circuits gebruiken meestal kleine elektronische circuits – logische poorten – om digitale circuits te creëren. Hiermee is combinatorische logica mogelijk. Elke logische poort handelt logische signalen af om een Booleaanse logicafunctie uit te voeren. Over het algemeen gebruiken ontwerpers elektronisch bestuurde schakelaars (meestal transistors) voor logische poorten. Thermionische buizen kunnen ook helpen. De uitgang van één logische poort kan in andere poorten voeden of ze sturen.

Constructie met lookup-tabellen

Het tweede type digitale circuits gebruikt lookup-tabellen. Deze voeren vergelijkbare functies uit als logische-poort-gebaseerde circuits. Een groot voordeel: ontwerpers kunnen ze eenvoudig herprogrammeren zonder bedradingswijzigingen. Ontwerpfouten repareren zonder draden te herindelen. Bij kleine series prefereren ontwerpers programmeerbare logicaapparaten. Bij het ontwerpen hiervan gebruiken ingenieurs meestal design-automatiseringssoftware.

Geïntegreerde circuits

Bij geïntegreerde circuits gebruiken ingenieurs meerdere transistors op één siliciumchip. Dit is de meest betaalbare manier om grote volumes van onderling verbonden logische poorten te creëren. Meestal worden geïntegreerde circuits op een printplaat (PCB) met koperen sporen met elkaar verbonden.

Ontwerp van digitale circuits

Bij het ontwerp van digitale circuits gebruiken ingenieurs diverse methoden om logische redundantie te reduceren, waardoor de complexiteit minimaal blijft. Waarom is lage complexiteit belangrijk? Minimale complexiteit verlaagt het aantal componenten en voorkomt potentiële fouten, wat de kosten laag houdt. Veelvoorkomende technieken: Booleaanse algebra, binaire beslissingsdiagrammen, Quine-McCluskey-algoritme, Karnaugh-kaarten, heuristische computermethodes. Software-ingenieurs gebruiken meestal heuristische methodes.

Representatie

Representatie is essentieel in digitaal circuitontwerp. De klassieke manier is een equivalent set logische poorten met verschillende vormen per logisch symbool. Ingenieurs kunnen ook een equivalent systeem van elektronische schakelaars construeren. Representaties hebben meestal numerieke bestandsformaten voor geautomatiseerde analyse.

Combinatorisch vs. Sequentiël

Bij het kiezen van representaties overwegen ontwerpers verschillende typen digitale systemen. Twee veelvoorkomende groepen: combinatorische systemen (dezelfde uitgangen voor dezelfde ingangen) en sequentiële systemen (combinatorische systemen die sommige uitgangen als ingangen terugvoeden).

Twee subcategories van sequentiële systemen: synchrone (veranderen allemaal tegelijk) en asynchrone (veranderen elke keer dat ingangen veranderen).

Computerontwerp

Een computer is de meest gewone register-transfer logica-apparatuur. De machine is een automatische binaire rekenmachine. Een micro-sequencer stuurt de controle-eenheid, die zelf een micro-programma is. De meeste computers zijn synchroon, hoewel er ook asynchrone computers zijn.

Ontwerpoverwegingen in digitale circuits

Omdat ingenieurs analoge componenten in digitale elektronische circuits gebruiken, kan de analoge aard van zulke componenten de gewenste digitale gedraging storen. Het ontwerp moet rekening houden met timing-marges, ruis, capaciteit en parasitische inducties.

Ontwerptools voor digitale circuits

Door de jaren heen hebben ingenieurs grote logische machines ontworpen om dure ingenieursinspanning te minimaliseren. Nu zijn er computerprogramma's – electronic design automation tools (EDA) – voor dit doel. Bijvoorbeeld manufacturability-software die ontwerpers van digitale circuits uitstekend assisteert.

Een logische circuit testen

De hoofredom om een logische circuit te testen is om te verifiëren of het ontwerp aan de timing- en functionele specificaties voldoet. Het is cruciaal om elke kopie van het digitale circuit te onderzoeken om te garanderen dat het productieproces geen fouten heeft geïntroduceerd.

Ontwerpoverwegingen voor digitale circuits

De vooruitgang van digitaal circuitontwerp is langzaam maar stetig. We traceren deze reis via de verschillende logische families.

Relais

Het eerste ontwerp had rellaistiek. Betrouwbaar en goedkoop, maar langzaam met occasionele mechanische fouten. Typisch tien fanouts die op de contacten boogden.

Vacuumbuizen

Vacuumlogica volgde op rellaistiek. Hoofdvoordeel: snel. Maar veel hitte, en filamenten brandden vaak uit. Computerbuizen in de jaren '50 waren een grote verbetering – honderdduizenden uren levensduur.

Weerstand-Transistor Logica (RTL)

Eerste halfgeleider-logicafamilie. Duizenden malen betrouwbaarder dan buizen, minder stroomverbruik, koeler. Maar lage fan-out: 3. Later diode-transistor logica verhoogde fan-out naar 7 en verlaagde stroom nog meer.

Transistor-Transistor Logica (TTL)

Dramatische verbetering. Fan-out van 10, later 20. Ook bemerkenswert snel. Nog steeds in gebruik in specifieke ontwerpen.

Emitter Gekoppelde Logica (ECL)

Ongekend snel. Maar verbruikt veel stroom. High-performance computers met medium-scale componenten gebruiken dit uitgebreid.

CMOS Logica

Meest populaire logica voor geïntegreerde circuits vandaag. Snel, hoge circuitdichtheid, laag stroomverbruik per logische poort.zelfs grote snelle computers gebruiken dit.

Meest recente ontwikkelingen in digitale circuits

Onderzoekers hebben recent significante vooruitgang geboekt. Enkele voorbeelden:

Gebruik van Memristors

In 2009 ontdekten onderzoekers dat memristors Booleaanse toestandsopslag kunnen implementeren. Dit biedt een complete logicafamilie met kleine hoeveelheden stroom en ruimte, met simpele CMOS-processen.

De ontdekking van RSFQ

Onderzoekers ontdekten supergeleiding. Dit maakt het mogelijk om rapid single flux quantum (RSFQ) circuittechnologie te ontwikkelen die Josephson-juncties gebruikt in plaats van transistors. Recentelijk proberen ingenieurs zuivere optische computingsystemen te bouwen die digitale informatie verwerken met niet-lineaire visuele elementen.

Samenvatting

Digtale circuits zijn het hart van de huidige digitale elektronica en computerverwerking. Met hun lage gevoeligheid voor ruis en kwaliteitsverlies zijn ze ver te prefereren boven analoge circuits. En met ingenieurs en onderzoekers die zich toeleggen op de vooruitgang, zullen ontwerp en prestaties alleen maar beter worden.

Zoekt u digitale circuits die perfect aan uw unieke behoeften voldoen? Bij WellPCB wijden wij ons aan het leveren van topkwaliteit digitale circuitoplossingen aan klanten wereldwijd. Bezoek onze website vandaag voor meer over onze diensten.