在設(shè)計(jì)中重新考慮采用單門器件

從系統(tǒng)設(shè)計(jì)觀點(diǎn)看，采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯結(jié)構(gòu)做為組成單元仍將是整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個重要部分。微處理器，DSP，ASIC和定制電路，現(xiàn)在占據(jù)很多傳統(tǒng)上由標(biāo)準(zhǔn)邏輯功能所占有的設(shè)計(jì)位置。但是，由于采用更先進(jìn)的技術(shù)方案的成本和復(fù)雜性所致，設(shè)計(jì)人員在特定應(yīng)用中繼續(xù)采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯。

標(biāo)準(zhǔn)邏輯的一個主要應(yīng)用是把“事情連接在一起”。分立邏輯IC，通常稱之為“膠接邏輯”（glue logic）。它們使系統(tǒng)的個別部分與其他部分的通訊更有效。簡單的電路功能，如緩沖器，譯碼器和開關(guān)，其設(shè)計(jì)普及性能在繼續(xù)增加。需要膠接邏輯的實(shí)例包括電路隔離、輸入/輸出變換、電源變換、單總線線路變換。

單門邏輯器件是較大的多門器件的衍生族。最初，日本首先采用單門邏輯器件解決消費(fèi)類電子業(yè)中的設(shè)計(jì)問題。因?yàn)槿毡居写罅肯M(fèi)類電子設(shè)備，所以日本的設(shè)計(jì)人員創(chuàng)造一種基本結(jié)構(gòu)來支持適當(dāng)大小的門陣列和專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品（ASSP）的快速設(shè)計(jì)。

單門器件隨著設(shè)計(jì)人員力圖降低板大小而日益流行起來。這種器件能使設(shè)計(jì)人員恰當(dāng)?shù)匕岩粋€邏輯功能以最小的實(shí)際要求放置在系統(tǒng)所需要的地方。事實(shí)上，單門器件是足夠的小，使設(shè)計(jì)人員能容易地增加一個邏輯功能來升級原有的設(shè)計(jì)而不修改主要的系統(tǒng)。單門器件也使設(shè)計(jì)人員降低功耗、噪聲和串?dāng)_。

單門器件推動力

導(dǎo)致產(chǎn)生單門器件的推動力是來自當(dāng)已有設(shè)計(jì)的門陣列或ASSP需要整合1位緩沖、邏輯或開關(guān)到新設(shè)計(jì)中。往往在板上沒有足夠的地方來增加另外多門邏輯器件以便保持相同的板大小。設(shè)計(jì)人員唯一的選擇是重新設(shè)計(jì)整個芯片或在板布局上增加IC以便達(dá)到所希望的功能。

另外，公司制造的便攜設(shè)備受到日益增大的減小板大小的壓力。在未使用單門器件前，傳統(tǒng)邏輯電路的封裝大小取決于電路板如何設(shè)計(jì)和布局。

產(chǎn)品工藝平臺和電路設(shè)計(jì)密度通常限定封裝大小。例如，SSOP或TSSSOP封裝中的多門器件分別占有50和80mm2板面積。用一個小的單門器件，設(shè)計(jì)人員可使電路適用于新系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這推動了芯片制造商生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)多門器件的單門型號，也迫使芯片供應(yīng)商在盡可能小的空間內(nèi)給出最佳的單一性能，同時節(jié)省盡可能多的功率。

對元件供應(yīng)商生產(chǎn)和上市單門產(chǎn)品的最終推動力是上市時間的壓力。顧名思義，單門功能在超小封裝中實(shí)現(xiàn)。當(dāng)初用SOT-23（SC59）5引腳封裝提供這些解決方案，以后是用現(xiàn)在的SOT 353（SC88A/SC70）封裝。SOT353面積只有4.2mm2，它傳統(tǒng)20引腳SOIC所需面積的3%。這種封裝小到可被直接安裝在線跡的“線中”。

因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員可以把單門器件精確的安裝在所需的地方，這樣做直接的好處是：較小的地回波效應(yīng)、需要較小的去耦元件、較短的信號路線。單門設(shè)計(jì)大大地減小了整個板空間和串?dāng)_、提供較干凈的系統(tǒng)信號并去掉了從前所需要的信號“凈化”元件。工作站和其他非便攜產(chǎn)品也可用單門器件減小板空間和降低功耗。

單門器件應(yīng)用

單門技術(shù)有一系列的應(yīng)用。在每一個實(shí)例中，一個3V邏輯電平串行輸入必須接口到一個5V板。在該例中，用單門器件1GT50，一個非倒相接口電路示于圖1。

1GT50工作在5V，并與3V邏輯電平無縫接品。不需要電阻器或其他另外的元件。此器件幾乎是無負(fù)載的（小于10pF），能提供高達(dá)8mA驅(qū)動，具有最小的噪聲和地回波以及小的信號延遲（大約4ns，取決于負(fù)載）。

在另一個實(shí)例中，馬達(dá)驅(qū)動順的鎖相環(huán)（PLL）需要一個具有長穩(wěn)態(tài)時間常數(shù)的快速起動時間。一個單門模擬開關(guān)（1GT66或1G66）能達(dá)到目的（圖2）。

很多設(shè)計(jì)人員在多門器件中熟悉這種功能。設(shè)計(jì)人員利用任一個門確定兩個時間常數(shù)?？焖賳訒r間是第一個常數(shù)，大約15%過沖。第二個時間常數(shù)具有最大穩(wěn)定性和最小波紋。模擬開關(guān)需要一個電阻器和兩個電容器。當(dāng)開關(guān)接通時，選擇時間常數(shù)為：t=2π（C1+C2）。較長的時間常數(shù)在開關(guān)接通幾納秒后是有效的。

在下一個應(yīng)用中，應(yīng)用從一個TTL電平源接通一個低功率3.3V器件。在此可采用1G66開關(guān)。把Vdd連接到3.3V電源做為高端模擬開關(guān)（圖3）。

1G66的控制引腳是以過壓容限并可由5V邏輯驅(qū)動器驅(qū)動。此開關(guān)只有15Ω電阻，對10mA負(fù)載壓降為0.15V。此功能可導(dǎo)通本地振蕩器、RF級、小的音頻輸出等。這種價廉開關(guān)提供系統(tǒng)5V部分和高端開關(guān)之間的接口。不需要外部電阻器或電容器。

下個實(shí)例確定如何建造一個小的、低成本晶體諧振振蕩器。1GU04非緩沖倒相器，對于任何基本模式晶體可做為一個振蕩器。10MΩ電阻器連接在輸出和輸入間，使倒相器處于A類狀態(tài)（圖4）。晶體制造廠家應(yīng)該確定電容器值。此振蕩器最高頻率達(dá)25MHz。設(shè)計(jì)人員可用諧波晶振實(shí)現(xiàn)較高的頻率。假若需要緩沖，任何一種VHC單門或多門緩沖器或倒相器就足夠了。

用一個帶可選擇反饋電阻的運(yùn)放提供恒定輸入和輸出阻抗。這是構(gòu)成雙增益音頻入大器（0或+6dB增益）的最好方法。用單門模擬開關(guān)選擇電阻器并提供1或+6dB增益（圖5）。

多年來可編程陣列邏輯（PAL）用于執(zhí)行多信號的打電報(bào)雜邏輯操作。在無線/手機(jī)中，PAL消耗相當(dāng)多的功率。若設(shè)計(jì)人員需要復(fù)雜的“組合”邏輯時，會引發(fā)另一個問題，即如何達(dá)到周圍的狀態(tài)。

根據(jù)所需條件，漏極開路單門器件可提供一個很好的解決方案。漏極開路門允許輸出“線或”在一起，這樣不僅僅具有“或”功能，而且具有非常低的功率，小的面積，幾乎無延遲地進(jìn)入信號通路（圖6）。

下面是一個復(fù)雜功能實(shí)例：

OUT=(A0×A1)+(A2×A3)+(A4+A5)

用3個漏極開路的單門器件（09，01，03）線“或”輸出。對于這種功能，用PAL將消耗過多的功率和板空間。采用多門邏輯將需要4個器件和多個50mm2的面積。而用漏板開路器件則只占13mm2的板面積。圖6中，最小功耗由R值確定，其信號傳播時延小于7ns。