คู่มือที่ครอบคลุมในการสร้างวงจรดิจิตอล

สร้างวงจรดิจิทัล-วงจรดิจิตอลหรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ดิจิตอลเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้สัญญาณดิจิตอล พวกมันแตกต่างจากวงจรอะนาล็อกในวงจรอะนาล็อกนั้นทำงานบนสัญญาณอะนาล็อกที่มีการดำเนินการมากขึ้นภายใต้การลดทอนสัญญาณความอดทนในการผลิตและเสียงรบกวนโดยทั่วไปนักออกแบบใช้ชุดประกอบลอจิกขนาดใหญ่บนวงจรรวมเพื่อสร้างวงจรดิจิตอล

ในคู่มือที่เป็นมิตรนี้เราจะแจ้งให้คุณทราบทุกอย่างเกี่ยวกับวงจรดิจิตอล อ่านเพื่อเรียนรู้เพิ่มเติม.

ประวัติโดยย่อของวงจรดิจิตอล

ในปี 1705 Gottfried Wilhelm Leibniz ได้ปรับปรุงระบบหมายเลขไบนารี Leibniz ยอมรับว่าโดยใช้ระบบไบนารีมันเป็นไปได้ที่จะเข้าร่วมหลักการของคณิตศาสตร์และตรรกะ ในช่วงกลางศตวรรษที่ 19 George Boole ตั้งครรภ์ปรัชญาดิจิทัลอย่างที่เรารู้จักกันทุกวันนี้ ต่อมาในปี 1886 Charles Sanders Peirce อธิบายว่านักวิทยาศาสตร์สามารถดำเนินการเชิงตรรกะได้อย่างไรโดยการสลับวงจรสวิตช์ไฟฟ้า จากนั้นแทนที่จะเป็นรีเลย์สำหรับการดำเนินการลอจิกนักออกแบบก็เริ่มใช้หลอดสูญญากาศ

ด้วยการพัฒนาคอมพิวเตอร์ดิจิตอลหลังสงครามโลกครั้งที่สองการคำนวณตัวเลขแทนที่อะนาล็อก ในไม่ช้าองค์ประกอบวงจรอิเล็กทรอนิกส์ล้วนเข้ามาจากคู่กลไกและเครื่องกลไฟฟ้า 

ในปีพ. ศ. 2502 โมฮัมเหม็ดอาตาลลาและดอว์คานคาห์นได้ประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์ Mosfet ซึ่งปฏิวัติอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์อย่างมาก จากปลายศตวรรษที่ 20 ทรานซิสเตอร์ MOSFET มีบทบาทสำคัญในการสร้างวงจรดิจิตอล ปัจจุบันเป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่ได้รับความนิยมมากที่สุดทั่วโลก 

เริ่มแรกชิปวงจรรวมแต่ละตัวมีเพียงไม่กี่ทรานซิสเตอร์ เมื่อเทคโนโลยีขั้นสูงมันเป็นไปได้ที่จะวางทรานซิสเตอร์ Mosfet หลายล้านตัวในชิปเดียว วันนี้นักออกแบบสามารถวางทรานซิสเตอร์ Mosfet หลายพันล้านในชิปเดียว เป็นหลักฐานว่าวงจรดิจิตอลมีความก้าวหน้าตั้งแต่วันแรก ๆ

2. คุณสมบัติของวงจรดิจิตอล

หนึ่งในเหตุผลที่ยิ่งใหญ่ที่สุดวงจรดิจิตอลสามารถเข้าถึงได้อย่างมากดังที่เราได้กล่าวถึงก่อนหน้านี้คือมันง่ายที่จะเป็นตัวแทนของพวกเขาแบบดิจิทัลโดยไม่ลดเสียงรบกวน ตัวอย่างเช่นตราบใดที่เสียงที่หยิบขึ้นมาในระหว่างการส่งนั้นไม่เพียงพอที่จะป้องกันไม่ให้เส้นทางถูกระบุสัญญาณเสียงที่ต่อเนื่องสามารถสร้างขึ้นใหม่ได้ตามลำดับ 1 วินาทีและ 0 โดยไม่มีข้อผิดพลาดใด ๆ

เพื่อให้ได้การเป็นตัวแทนที่แม่นยำยิ่งขึ้นในระบบดิจิตอลคุณสามารถแสดงสัญญาณโดยใช้ตัวเลขไบนารีมากขึ้น แน่นอนว่าต้องใช้วงจรดิจิตอลมากขึ้น แต่เนื่องจากฮาร์ดแวร์ชนิดเดียวกันจัดการกับแต่ละหมายเลขระบบจึงสามารถปรับขนาดได้ง่าย สิ่งต่าง ๆ มีความแตกต่างกับระบบอะนาล็อกที่ต้องการการปรับปรุงพื้นฐานในลักษณะเสียงและความเป็นเส้นตรงเพื่อสร้างความละเอียดใหม่ 

ในกรณีที่คุณใช้ระบบดิจิตอลที่ควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์เป็นไปได้ที่จะเพิ่มฟังก์ชั่นอื่น ๆ อีกมากมายโดยใช้การแก้ไขซอฟต์แวร์ กล่าวอีกนัยหนึ่ง คุณไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนแปลงฮาร์ดแวร์ใดๆ ยิ่งไปกว่านั้น คุณสามารถแนะนำการปรับปรุงใดๆ ในระบบดิจิทัลของคุณนอกโรงงานได้เพียงแค่อัปเดตซอฟต์แวร์

คุณสมบัติอีกประการของวงจรดิจิทัลคือช่วยให้สามารถจัดเก็บข้อมูลได้มากขึ้น ทั้งนี้เนื่องจากระบบดิจิทัลมีภูมิคุ้มกันต่อการรบกวนและสามารถจัดเก็บและดึงข้อมูลได้โดยไม่ลดทอนประสิทธิภาพการทำงาน

โดยทั่วไปแล้วระบบดิจิทัลล่าสุดจำนวนมากจะแปลระบบแอนะล็อกแบบต่อเนื่องเป็นสัญญาณดิจิทัล ซึ่งอาจทำให้เกิดข้อผิดพลาดในเชิงปริมาณ เพื่อรักษาข้อผิดพลาดเหล่านี้ให้น้อยที่สุด ตรวจสอบให้แน่ใจว่าระบบดิจิทัลสามารถจัดเก็บข้อมูลดิจิทัลที่เพียงพอเพื่อแสดงสัญญาณในระดับความเที่ยงตรงที่ต้องการ 

3. สร้างวงจรดิจิทัล-การสร้างวงจรดิจิตอล

วิศวกรใช้วิธีการต่างๆ ในการสร้างลอจิกเกท เราจะตรวจสอบบางส่วนด้านล่าง

3.1 การก่อสร้างโดยใช้ลอจิกเกตส์

ผู้ผลิตวงจรดิจิทัลมักใช้วงจรอิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กที่เรียกว่าลอจิกเกตเพื่อสร้างหลักสูตรดิจิทัล ด้วยลอจิกเกทเหล่านี้ คุณสามารถสร้างลอจิกเชิงผสมได้ ลอจิกเกตแต่ละอันทำหน้าที่กับสัญญาณลอจิกเพื่อทำหน้าที่ของลอจิกบูลีน โดยทั่วไปแล้ว นักออกแบบจะใช้สวิตช์ควบคุมด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์เพื่อสร้างประตูลอจิก โดยปกติสวิตช์เหล่านี้เป็นทรานซิสเตอร์ วาล์วเทอร์มิโอนิกสามารถช่วยทำงานเดียวกันได้ เอาต์พุตจากลอจิกเกตหนึ่งสามารถป้อนเข้าสู่ลอจิกเกทอื่นหรือควบคุมได้

3.2 การสร้างโดยใช้ตารางค้นหา

วงจรดิจิตอลประเภทที่สองมีการสร้างจากตารางค้นหา โดยทั่วไป ตารางค้นหาจะทำหน้าที่คล้ายกับวงจรดิจิทัลตามลอจิกเกท ประโยชน์ที่สำคัญของช่องดิจิตอลตามตารางการค้นหาคือนักออกแบบสามารถตั้งโปรแกรมใหม่ได้อย่างง่ายดายโดยไม่ต้องทำการเปลี่ยนแปลงใดๆ กับการเดินสาย กล่าวคือ ง่ายต่อการซ่อมแซมข้อผิดพลาดในการออกแบบโดยไม่ต้องเปลี่ยนการจัดวางสายไฟ เมื่อต้องรับมือกับผลิตภัณฑ์ที่มีปริมาณน้อย นักออกแบบจึงชอบอุปกรณ์ลอจิกแบบตั้งโปรแกรมได้มากกว่าวงจรดิจิตอลประเภทอื่น ในการออกแบบอุปกรณ์ลอจิกที่ตั้งโปรแกรมได้เหล่านี้ วิศวกรมักใช้ซอฟต์แวร์การออกแบบอัตโนมัติ

3.3 วงจรรวม 

ในการสร้างวงจรรวม วิศวกรใช้ทรานซิสเตอร์หลายตัวในชิปซิลิคอนตัวเดียว นี่เป็นวิธีที่เหมาะสมที่สุดในการสร้างลอจิกเกตที่เชื่อมต่อถึงกันจำนวนมาก โดยปกติ นักออกแบบจะเชื่อมต่อวงจรรวมบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ซึ่งเป็นบอร์ดที่มีส่วนประกอบทางไฟฟ้าต่างๆ และเชื่อมต่อกับร่องรอยทองแดง 

4. การออกแบบวงจรดิจิตอล

ในการออกแบบวงจรดิจิทัล วิศวกรใช้วิธีการต่างๆ เพื่อลดความซ้ำซ้อนทางตรรกะ ดังนั้นจึงรักษาความซับซ้อนของวงจรให้น้อยที่สุด แต่เหตุใดจึงต้องรักษาความซับซ้อนของวงจรให้ต่ำ ความซับซ้อนน้อยที่สุดช่วยลดจำนวนส่วนประกอบและป้องกันข้อผิดพลาดที่อาจเกิดขึ้น ซึ่งจะทำให้ต้นทุนต่ำ เทคนิคทั่วไปบางประการในการลดความซ้ำซ้อนของตรรกะ ได้แก่ พีชคณิตบูลีน ไดอะแกรมการตัดสินใจแบบไบนารี อัลกอริธึม Quine–McCluskey แผนที่ Karnaugh และวิธีการคอมพิวเตอร์ฮิวริสติก วิศวกรซอฟต์แวร์มักใช้วิธีคอมพิวเตอร์ศึกษาสำนึกเพื่อดำเนินการเหล่านี้ 

4.1 การเป็นตัวแทน

การเป็นตัวแทนเป็นส่วนสำคัญในการออกแบบวงจรดิจิทัล วิศวกรคลาสสิกเป็นตัวแทนของวงจรดิจิทัลใช้ชุดลอจิกเกตที่เท่ากันซึ่งนักออกแบบใช้รูปร่างที่แตกต่างกันเพื่อแสดงสัญลักษณ์ลอจิกแต่ละอัน วิศวกรยังสามารถสร้างระบบที่เทียบเท่ากันของสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์เพื่อเป็นตัวแทนของวงจรดิจิตอล การนำเสนอมักจะมีรูปแบบไฟล์ที่เป็นตัวเลขสำหรับการวิเคราะห์อัตโนมัติ

4.1.1 สร้างวงจรดิจิทัล-เชิงผสมเทียบกับลำดับ

ในการเลือกรูปภาพ นักออกแบบมักจะพิจารณาระบบดิจิทัลประเภทต่างๆ ระบบดิจิทัลทั่วไปสองกลุ่มคือระบบผสมและระบบตามลำดับ ระบบผสมจะแสดงเอาต์พุตเดียวกันสำหรับอินพุตเดียวกัน ในทางกลับกัน ระบบซีเควนเชียลเป็นระบบผสมที่ป้อนกลับเอาต์พุตบางส่วนเป็นอินพุต

มีอีกสองประเภทย่อยของระบบลำดับ: ระบบลำดับซิงโครนัสที่เปลี่ยนสถานะทั้งหมดในครั้งเดียวและระบบลำดับแบบอะซิงโครนัสที่เปลี่ยนทุกครั้งที่อินพุตเปลี่ยนแปลง

4.1.2 การออกแบบคอมพิวเตอร์

คอมพิวเตอร์เป็นอุปกรณ์ลอจิกการลงทะเบียน-โอนเพื่อใช้งานทั่วไปที่ธรรมดาที่สุด เครื่องเป็นลูกคิดไบนารีอัตโนมัติ ไมโครซีเควนเซอร์รันหน่วยควบคุมของเครือข่าย ซึ่งเป็นไมโครโปรแกรมเอง คอมพิวเตอร์ส่วนใหญ่เป็นแบบซิงโครนัส แม้ว่าจะมีคอมพิวเตอร์แบบอะซิงโครนัสในตลาดก็ตาม 

4.2 ข้อกังวลในการออกแบบวงจรดิจิตอล

เนื่องจากวิศวกรใช้ส่วนประกอบแอนะล็อกในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ดิจิทัล ลักษณะแอนะล็อกของส่วนประกอบดังกล่าวอาจรบกวนการทำงานดิจิทัลที่ต้องการได้ การออกแบบช่องดิจิตอลจึงจำเป็นต้องจัดการหัวข้อต่างๆ เช่น ระยะขอบ เสียง ความจุ และการเหนี่ยวนำกาฝาก  

4.3 เครื่องมือออกแบบวงจรดิจิตอล

ตลอดหลายปีที่ผ่านมา วิศวกรได้ออกแบบเครื่องลอจิกขนาดใหญ่ที่มีจุดมุ่งหมายเพื่อลดความพยายามด้านวิศวกรรมที่มีค่าใช้จ่ายสูง ปัจจุบันมีโปรแกรมคอมพิวเตอร์ที่เรียกว่า electronic design Automation tools (EDA) ที่มีอยู่เพื่อการนี้ ตัวอย่างเช่น มีซอฟต์แวร์ด้านการผลิตที่ให้ความช่วยเหลืออย่างดีเยี่ยมแก่ผู้ออกแบบวงจรดิจิทัล 

4.4 สร้างวงจรดิจิทัล-การทดสอบวงจรลอจิก

เหตุผลหลักที่วิศวกรทดสอบวงจรลอจิกหากต้องตรวจสอบว่าการออกแบบตรงตามข้อกำหนดด้านเวลาและการทำงานหรือไม่ การตรวจสอบแต่ละสำเนาของช่องทางดิจิทัลเป็นสิ่งสำคัญเพื่อให้แน่ใจว่ากระบวนการผลิตไม่ได้ทำให้เกิดข้อบกพร่อง

5. ข้อควรพิจารณาในการออกแบบวงจรดิจิตอล

ความก้าวหน้าของการออกแบบวงจรดิจิทัลเป็นไปอย่างช้าๆแต่มั่นคง เราติดตามการเดินทางนี้โดยดูจากตระกูลตรรกะต่างๆ ด้านล่าง

5.1 รีเลย์

การออกแบบช่องดิจิตอลครั้งแรกมีตรรกะการถ่ายทอด การออกแบบนี้มีความน่าเชื่อถือและราคาไม่แพง อย่างไรก็ตาม มันช้า และมีความล้มเหลวทางกลไกเป็นครั้งคราว โดยทั่วไปมีสิบ fanouts ที่โค้งบนผู้ติดต่อ 

5.2 สร้างวงจรดิจิทัล-เครื่องดูดฝุ่น

ลอจิกสูญญากาศตามลอจิกรีเลย์ทันที ประโยชน์หลักของเครื่องดูดฝุ่นคือความรวดเร็ว อย่างไรก็ตาม เครื่องดูดฝุ่นสร้างความร้อนได้มากและเส้นใยมักจะไหม้ การพัฒนาหลอดคอมพิวเตอร์ในทศวรรษ 1950 เป็นการปรับปรุงที่สำคัญในด้านช่องว่าง เนื่องจากหลอดคอมพิวเตอร์เหล่านี้สามารถทำงานได้หลายแสนชั่วโมง

5.3 ตัวต้านทาน-ทรานซิสเตอร์ลอจิก

นี่เป็นตระกูลลอจิกเซมิคอนดักเตอร์ตระกูลแรก ลอจิกทรานซิสเตอร์ตัวต้านทานมีความน่าเชื่อถือมากกว่าหลอดหลายพันเท่า มันใช้พลังงานน้อยกว่ามากและวิ่งเย็นกว่า อย่างไรก็ตาม การกระจายออกไปนั้นต่ำมาก: ทั้งหมด 3 แห่ง ต่อมาลอจิกทรานซิสเตอร์ไดโอดได้เพิ่มพัดลมออกเป็น 7 และลดพลังงานลงอีก 

5.4 ลอจิกทรานซิสเตอร์-ทรานซิสเตอร์

ลอจิกทรานซิสเตอร์-ทรานซิสเตอร์มีการปรับปรุงอย่างมากจากลอจิกก่อนหน้านี้ โดยมีค่า fan-out เท่ากับ 10 ต่อมาการกระจายออกไปนั้นดีขึ้นเป็น 20 ตรรกะนี้ก็รวดเร็วอย่างน่าทึ่งเช่นกัน ตรรกะนี้ยังคงใช้อยู่ในปัจจุบันในการออกแบบวงจรดิจิทัลเฉพาะ

5.5 อีซีแอลลอจิกคู่ 

รุ่นควบคู่ไปกับอีซีแอลนั้นรวดเร็วอย่างเหลือเชื่อ อย่างไรก็ตาม ตรรกะนี้ใช้พลังงานมาก คอมพิวเตอร์ประสิทธิภาพสูงที่มีส่วนประกอบขนาดกลางใช้ตรรกะนี้อย่างกว้างขวาง

5.6 สร้างวงจรดิจิทัล-CMOS ลอจิก

ตรรกะ CMOS เป็นตรรกะที่ได้รับความนิยมมากที่สุดสำหรับวงจรรวมในปัจจุบัน ลอจิกมีความรวดเร็ว ให้ความหนาแน่นของวงจรสูงและใช้พลังงานต่ำต่อลอจิกเกต แม้แต่คอมพิวเตอร์ความเร็วสูงขนาดใหญ่ก็ใช้ตรรกะนี้

สร้างวงจรดิจิทัล-การพัฒนาล่าสุดในด้านวงจรดิจิตอล

นักวิจัยด้านวงจรดิจิทัลมีความก้าวหน้าอย่างมากเมื่อเร็วๆ นี้ ด้านล่างนี้เป็นตัวอย่างบางส่วน: 

6.1 การใช้เมมริสเตอร์

ตัวอย่างเช่น ในปี 2009 นักวิจัยพบว่า memristors สามารถช่วยในการปรับใช้ที่เก็บข้อมูลสถานะบูลีนได้ นี่เป็นตระกูลลอจิกที่สมบูรณ์ซึ่งมีพลังงานและพื้นที่เพียงเล็กน้อยด้วยการใช้กระบวนการ CMOS อย่างง่าย 

6.2 สร้างวงจรดิจิทัล-การค้นพบ RSFQ

นักวิจัยยังค้นพบความเป็นตัวนำยิ่งยวด การค้นพบนี้ทำให้วิศวกรสามารถพัฒนาเทคโนโลยีวงจร single flux quantum (RSFQ) อย่างรวดเร็วซึ่งใช้ทางแยกของ Josephson มากกว่าทรานซิสเตอร์ เมื่อเร็ว ๆ นี้วิศวกรได้พยายามสร้างระบบคอมพิวเตอร์ออปติคัลล้วนๆ ที่สามารถประมวลผลข้อมูลดิจิทัลโดยใช้องค์ประกอบภาพที่ไม่เป็นเชิงเส้น

สรุป

วงจรดิจิทัลเป็นศูนย์กลางของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ดิจิทัลและการประมวลผลทางคอมพิวเตอร์ในปัจจุบัน ด้วยความไวต่อสัญญาณรบกวนและการเสื่อมคุณภาพต่ำ วงจรเหล่านี้จึงเป็นที่นิยมมากกว่าวงจรแอนะล็อก และด้วยวิศวกรและนักวิจัยที่อุทิศตนเพื่อความก้าวหน้าในด้านช่องทางดิจิทัล การออกแบบและประสิทธิภาพของอุปกรณ์เหล่านี้จะดีขึ้นเท่านั้น 

คุณกำลังมองหาวงจรดิจิตอลที่ตอบสนองความต้องการเฉพาะของคุณได้อย่างลงตัวหรือไม่? ที่ WellPCB เราอุทิศตนเพื่อนำเสนอโซลูชันวงจรดิจิทัลคุณภาพสูงแก่ลูกค้าของเราทั่วโลก เยี่ยมชมเว็บไซต์ของเราวันนี้เพื่อเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับบริการของเรา