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实用EMI噪声对策讲座(14) 数字电路

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早期CMOS的动作速度非常迟缓，目前B家族系列的CMOS广泛应用在各种领域，随着IC设计、制作技术的进化，高速化的CMOS动作速度几乎凌驾LSTTL。CMOS问世后曾经是数字IC的主流，目前已经被兼具CMOS低消费电力与TTL高速特性的BiCMOS系列取代。

数位IC的类别

数字IC的家族成员可以分成：
*TTL
*CMOS
*其它

等三大类。CMOS是互补(complementary)MOS的简写，它是二个MOS型晶体管成对(pair)状结构；TTL则是由双极(bipolar)晶体管构成，全球首颗IC就是TTL type，因此TTL又称为标准TTL。标准TTL问世不久陆续出现其它TTL家族成员，目前标准TTL几乎完全退出市场。

演算理论

数字IC是执行理论演算的主要组件之一，虽然大规模电路不断被IC化制成所谓的「ASIC」，不过基本上任何一种IC都是理论演算集合的结果。

理论分成二值理论与多值理论两种型式，实际上大多采用二值理论方式，二值理论具有两种状态，该二值称为「真」与「伪」，分别使用：
*1→真
*0→伪

二进制的数值。虽然数位IC再将1定义成高(H: High)电压，0定义成低(L: Low)电压，但不论是”H”或是”L”电压两者都是对等。「1为高电压，0为低电压时称为正理论」；「1为低电压，0为高电压称为负理论」。理论演算大致上可以分成：
*组合理论
*顺序理论

两种。所谓组合理论是指输出与输入会比照1对1，一旦决定输入的理论值，对应的输出就会自动决定。表1~表3分别表示理论的真理论值，它也是组合理论的基本要素。
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表1 AND的真理论值
　
表2 OR的真理论值
　
表3 NOT的真理论值
　
如上所述，可以实现基本组合理论的IC称为网关(gate)IC。所谓顺序理论是指过去的状态影响目前的输出，目前的输出却不能决定目前的输入，亦即它是指记忆过去状态的功能而言。

双稳态电路(FF：Flip Flop)就是典型可以实现顺序理论的IC，双稳态的基本型是RS-FF IC，虽然RS-FF IC能够以输入强度(level)动作，不过目前常用的IC大多采用输入端缘(edge)动作，因此又称为端缘触发双稳态电路(ETFF：Edge Trigger Flip Flop)，其中又以D-FF IC最具代表。

TTL与CMOS的比较

CMOS广泛应用在各种电子电路，因此TTL与CMOS比较时，会涉及许多噪讯对策的动作机制，一般而言CMOS的抗噪讯能力确实比TTL强大，不过它的公认强大抗噪讯原因却不代表完全正确，而且CMOS本身在噪讯对策上有许多问题点与盲点，因此使用上必需格外谨慎。

所有的数字IC都有噪讯界限(noise margin)限制，反过来说由于有噪讯界限的限制，因此数字IC的抗噪讯能力非常强大，在一般噪讯环境下通常都可以安全使用。
CMOS的噪讯界限与电源电压呈比例，电源电压与标准TTL的电源电压相同，图1是5V时CMOS与TTL数字IC的比较结果。
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由图可知，TTL的噪讯界限值为0.4V，CMOS为1.45V，因此C-MOS的噪讯界限值比TTL强，不过抗噪讯强度并不是单纯取决于电压，除了电压之外例如阻抗(impedance)等等也是原因之一，此外是驱动器的输出阻抗，对印刷电路基板的布线阻抗具有支配性影响。

TTL与CMOS若分别使用LS与HC家族系列数字IC，HC的驱动阻抗非常高会抵销噪讯界限值的大小，其结果造成几乎没有明显的抗噪讯强度差异。

相较之下，TTL与CMOS，若采用LS与AC家族系列数字IC，由于AC家族系列数字IC的输出阻抗非常低，因此它的抗噪讯特性反而比TTL更优秀。

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