【CMOS邏輯IC基礎(chǔ)知識(shí)】—解密組合邏輯背后的強(qiáng)大用途?。ㄉ希?/p>

在前面的芝識(shí)課堂中，我們跟大家簡(jiǎn)單介紹了邏輯IC的基本知識(shí)和分類(lèi)，并且特別提到CMOS邏輯IC因?yàn)槌杀尽⑾到y(tǒng)復(fù)雜度和功耗的平衡性很好，因此得到了最廣泛應(yīng)用，同時(shí)也和大家一起詳細(xì)了解了CMOS邏輯IC的基本操作。邏輯IC作為一種對(duì)一個(gè)或多個(gè)數(shù)字輸入信號(hào)執(zhí)行基本邏輯運(yùn)算以產(chǎn)生數(shù)字輸出信號(hào)的半導(dǎo)體器件，其應(yīng)用也是非常豐富的，今天就來(lái)和芝子一起了解一下吧。

首先我們要明確的是CMOS邏輯IC大致包括兩種邏輯，即組合邏輯和時(shí)序邏輯。其中組合邏輯是輸出僅為當(dāng)前輸入的純函數(shù)邏輯電路類(lèi)型，主要包括反相器、緩沖器、雙向總線緩沖器、施密特觸發(fā)器裝置、解碼器、多路復(fù)用器、模擬多路復(fù)用器／多路分解器、模擬開(kāi)關(guān)等；時(shí)序邏輯是一種其輸出取決于先前輸入值的順序，并由當(dāng)前輸入（如控制信號(hào)觸發(fā)器、鎖存器、計(jì)數(shù)器、移位寄存器等）控制的邏輯電路類(lèi)型。組合邏輯電路與時(shí)序邏輯電路的區(qū)別體現(xiàn)在輸入輸出關(guān)系、有無(wú)存儲(chǔ)（記憶）單元、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)上。

首先我們以幾個(gè)簡(jiǎn)單的電路部分為例，來(lái)介紹組合邏輯電路的基本情況。

1 反相器

組合邏輯應(yīng)用中比較常見(jiàn)的是反相器（以74VHC04為例），是一種輸出（Y）與輸入（A）相反的邏輯門(mén)，如圖1所示。

圖1 逆變器的操作

2 緩沖器

緩沖器（例如74VHC244），緩沖器增加驅(qū)動(dòng)能力以增加可連接的信號(hào)線的數(shù)量，并執(zhí)行波形整形。緩沖區(qū)不執(zhí)行邏輯操作，示意圖如圖2。

圖2 緩沖器的操作

3 雙向總線緩沖器（收發(fā)器）

雙向總線緩沖器（收發(fā)器），比如74VHC245。雙向總線緩沖器（收發(fā)器）是一種其I/O引腳可配置為輸入和輸出以接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的邏輯電路。由于收發(fā)器允許通過(guò)控制信號(hào)（DIR）更改信號(hào)方向，所以它沿著總線傳輸，雙向傳輸數(shù)據(jù)。圖3顯示了收發(fā)器的應(yīng)用示例。雙向使用總線信號(hào)時(shí)，將總線輸入和總線輸出都通過(guò)上拉電阻連接到VCC或GND，以防止在控制信號(hào)（DIR）切換信號(hào)時(shí)輸入信號(hào)變?yōu)殚_(kāi)路（未定義）。切換信號(hào)時(shí)請(qǐng)注意不要將輸出與總線輸出短路。

圖3 雙向總線緩沖器的應(yīng)用示例

我們來(lái)看一下圖3這個(gè)系統(tǒng)的邏輯情況，通過(guò)在／G為高電平時(shí)更改DIR的值，可以輕松更改A和B引腳的方向。／G為高電平時(shí)，更改DIR的值和外部數(shù)據(jù)的方向。在周期#0，數(shù)據(jù)從B傳輸?shù)紸。在周期#1，A引腳處于高Z狀態(tài)。因此，輸出數(shù)據(jù)無(wú)效。在周期#2，更改DIR的值和外部數(shù)據(jù)的方向。在周期#3，啟用A和B引腳。然后，輸出數(shù)據(jù)在周期#4開(kāi)始時(shí)保持穩(wěn)定。在周期#4，數(shù)據(jù)從A傳輸?shù)紹。詳細(xì)輸入和輸出邏輯關(guān)系如圖4所示。

圖4 雙向總線緩沖器的邏輯示意

4 施密特觸發(fā)器

我們?cè)倏匆粋€(gè)特別的示例，施密特觸發(fā)裝置（以VHC14為例）。施密特觸發(fā)裝置在兩個(gè)輸入閾值電壓之間有一個(gè)磁滯帶。圖5顯示了具有輸入閾值滯后的施密特反相器的輸入和輸出波形。對(duì)于具有磁滯的IC，正向閾值電壓（VP）不同于負(fù)向閾值電壓（VN）。對(duì)于緩慢上升或下降的輸入，輸入閾值滯后（VH）有助于穩(wěn)定輸出。即使存在輸入噪聲或電源或噪聲引起的接地反彈的情況下，IC也不會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤輸出，除非噪聲或反彈超過(guò)磁滯寬度。

圖5 施密特反相器的輸入和輸出波形

5 解碼器

解碼器也是一種典型的組合邏輯電路，我們以VHC138為例進(jìn)行邏輯解讀。解碼器將N個(gè)編碼輸入的二進(jìn)制信息轉(zhuǎn)換為最多2N個(gè)獨(dú)特輸出。它通常用于增加端口數(shù)量和生成芯片選擇信號(hào)。圖6顯示了3對(duì)8解碼器（即具有三個(gè)輸入和八個(gè)輸出的解碼器）的邏輯符號(hào)、真值表和時(shí)序圖。

圖6 3對(duì)8解碼器的邏輯符號(hào)和真值表以及時(shí)序圖

圖7則顯示如何使用3對(duì)8解碼器從三個(gè)輸入（A、B和C）生成八個(gè)芯片選擇信號(hào)。當(dāng)A、B和C都為低電平時(shí)，只有／Y0輸出提供邏輯低電平，所以選擇IC0。圖7表明，通過(guò)三個(gè)輸入的組合，可以從最多八個(gè)芯片中選擇任意芯片。

圖7 3至8解碼器的時(shí)序圖

今天的芝識(shí)課堂，我們帶大家了解了幾種典型電路單元的對(duì)應(yīng)邏輯關(guān)系，在下面的芝識(shí)課堂中，我們將繼續(xù)跟大家分享CMOS邏輯IC的基礎(chǔ)知識(shí)，敬請(qǐng)期待。

羅姆發(fā)布肖特基二極管白皮書(shū)，助力汽車(chē)、工業(yè)和消費(fèi)電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)小型化和更低損耗！

近年來(lái)，隨著電動(dòng)汽車(chē)的加速以及物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)設(shè)備、消費(fèi)電子設(shè)備領(lǐng)域的普及，應(yīng)用產(chǎn)品中搭載的半導(dǎo)體數(shù)量也與日俱增。其中，中等耐壓的二極管因其能有效整流和保護(hù)電路，而被廣泛應(yīng)用在從手機(jī)到電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力總成系統(tǒng)等各種電路和領(lǐng)域中，半導(dǎo)體廠商羅姆在這些領(lǐng)域中已經(jīng)擁有驕人業(yè)績(jī)（圖1）。

1. 前言

近年來(lái)，隨著電動(dòng)汽車(chē)的加速以及物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)設(shè)備、消費(fèi)電子設(shè)備領(lǐng)域的普及，應(yīng)用產(chǎn)品中搭載的半導(dǎo)體數(shù)量也與日俱增。其中，中等耐壓的二極管因其能有效整流和保護(hù)電路，而被廣泛應(yīng)用在從手機(jī)到電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力總成系統(tǒng)等各種電路和領(lǐng)域中，半導(dǎo)體廠商羅姆在這些領(lǐng)域中已經(jīng)擁有驕人業(yè)績(jī)（圖1）。

圖1. 羅姆在整流二極管和功率二極管領(lǐng)域的市場(chǎng)份額

VF（正向電壓）和IR（反向電流）是二極管的重要性能指標(biāo)，它們分別會(huì)影響到正向施加時(shí)的功率損耗和反向施加時(shí)的功率損耗。“理想的二極管”是VF和IR為0的二極管，也就是進(jìn)行整流和開(kāi)關(guān)工作時(shí)完全沒(méi)有功率損耗的二極管。另外，VF和IR之間通常存在權(quán)衡關(guān)系，因此很難同時(shí)改善。而且，在實(shí)際的二極管中，當(dāng)在開(kāi)關(guān)工作期間關(guān)斷二極管時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一些功率損耗（因?yàn)殡娏髟趖rr時(shí)段內(nèi)會(huì)反向流動(dòng)）。

肖特基勢(shì)壘二極管（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“SBD”）的VF和trr低于其他類(lèi)型的二極管，因此在整流電路和開(kāi)關(guān)電路中使用這種二極管可以實(shí)現(xiàn)低損耗，然而由于其IR較大，存在發(fā)熱量大于散熱量，最終發(fā)生熱失控而造成損壞的風(fēng)險(xiǎn)。（圖2）

圖2. 在開(kāi)關(guān)期間SBD和整流二極管的VF、IR比較

針對(duì)這種情況，羅姆開(kāi)發(fā)出豐富的SBD系列產(chǎn)品群，客戶可根據(jù)各種應(yīng)用的需求（強(qiáng)調(diào)VF還是IR）選用產(chǎn)品。另外，還推出了更接近“理想二極管”的新系列產(chǎn)品，新產(chǎn)品不僅同時(shí)改善了本來(lái)存在權(quán)衡關(guān)系的VF和IR特性，還實(shí)現(xiàn)了SBD業(yè)內(nèi)超高等級(jí)的trr特性。本文將概括介紹羅姆在SBD領(lǐng)域的行動(dòng)以及羅姆各系列SBD產(chǎn)品的特點(diǎn)。

（有關(guān)SBD的詳細(xì)技術(shù)文檔，請(qǐng)參閱以下文章。）

車(chē)載用肖特基二極管小型高散熱封裝[PMDE]的優(yōu)越性

車(chē)載小型高效肖特基勢(shì)壘二極管“RBLQ系列”的優(yōu)勢(shì)

2. SBD需要具備的性能及其發(fā)展趨勢(shì)

圖3為SBD產(chǎn)品相關(guān)的市場(chǎng)情況示例，展示了一輛汽車(chē)中搭載的ECU數(shù)量。隨著ADAS（高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)）和自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展，一輛汽車(chē)中所搭載的ECU數(shù)量與日俱增，其中所用的二極管數(shù)量也在持續(xù)增加，預(yù)計(jì)未來(lái)還會(huì)繼續(xù)增加。由于汽車(chē)無(wú)法提供超出其電池和發(fā)電機(jī)能力的電力，因此制造商需要低損耗（低VF）的二極管，并且越來(lái)越多地采用VF和trr特性優(yōu)異的SBD。而另一方面，燃油車(chē)的引擎外圍電路、以及xEV的電池和電機(jī)外圍電路是在高溫環(huán)境中工作的，因此IR高的SBD的熱失控風(fēng)險(xiǎn)成為直接關(guān)系到可靠性的重大課題。因此，在選擇SBD時(shí)，關(guān)鍵在于如何在VF和IR之間取得平衡。

圖3. 一輛汽車(chē)所搭載的ECU數(shù)量演變（羅姆調(diào)查數(shù)據(jù)）

在消費(fèi)電子設(shè)備中，隨著應(yīng)用產(chǎn)品的功能越來(lái)越多，電路板密度也變得越來(lái)越高，甚至密度超過(guò)車(chē)載設(shè)備，因此需要更小型和超低損耗（超低VF）的SBD。另外，在工業(yè)設(shè)備應(yīng)用中，其對(duì)高可靠性的要求與車(chē)載應(yīng)用相同，而且由于應(yīng)用產(chǎn)品的機(jī)型壽命較長(zhǎng)，因此長(zhǎng)期穩(wěn)定供應(yīng)也很重要。綜上所述，身為通用器件的SBD，在不同的領(lǐng)域和應(yīng)用中，其發(fā)展趨勢(shì)大不相同，制造商在其產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，要求一些存在權(quán)衡關(guān)系（例如更低損耗和更高可靠性、更小型和更大電流）的特性同等出色。為了滿足如此廣泛的需求，羅姆不斷推動(dòng)相應(yīng)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，并建立了以垂直統(tǒng)合型生產(chǎn)體系為中心的長(zhǎng)期穩(wěn)定供應(yīng)體系。在下一節(jié)中，將具體介紹羅姆的SBD產(chǎn)品陣容。

3. 羅姆 SBD系列產(chǎn)品陣容

羅姆最新的SBD產(chǎn)品有5個(gè)系列，客戶可以根據(jù)對(duì)VF和IR的不同重視程度，從豐富的產(chǎn)品陣容中選擇合適的產(chǎn)品（圖4）。另外，每個(gè)系列都有豐富的封裝陣容，客戶還可以根據(jù)應(yīng)用產(chǎn)品的性能要求選擇小型封裝（圖5）。下頁(yè)將對(duì)每種產(chǎn)品的特點(diǎn)分別展開(kāi)介紹。

圖4. 系列產(chǎn)品陣容

圖5. 封裝陣容

3-1.RBS系列超低VF（耐壓：20V）

該系列的VF最低，在主要用于正向電路中的損耗可大幅降低，非常適用于智能手機(jī)等使用電池低電壓驅(qū)動(dòng)的移動(dòng)設(shè)備中的整流應(yīng)用。

目標(biāo)應(yīng)用：筆記本電腦、移動(dòng)設(shè)備等

3-2.RBR系列低VF（耐壓：30V／40V／60V）

該系列為通用型產(chǎn)品，與相同尺寸的羅姆以往產(chǎn)品相比，VF特性降低約25%。在車(chē)載應(yīng)用中，正向損耗非常少，因此作為要求更高效率的汽車(chē)信息娛樂(lè)系統(tǒng)和車(chē)載LED燈等的保護(hù)二極管，非常受歡迎。2021年8月，封裝陣容中又新增了車(chē)載用超小型PMDE封裝，可滿足市場(chǎng)對(duì)更小封裝的需求。

目標(biāo)應(yīng)用：車(chē)載信息娛樂(lè)系統(tǒng)、車(chē)載LED燈、車(chē)載ECU、筆記本電腦等

3-3.RBQ系列低IR（耐壓：45V／65V／100V）

該系列利用羅姆自有的勢(shì)壘形成技術(shù)，在VF特性與IR特性之間取得了良好的平衡。與羅姆以往產(chǎn)品相比，其反向功率損耗降低了60%，因此可以降低熱失控風(fēng)險(xiǎn)，非常適用于需要在高溫環(huán)境下運(yùn)行的引擎ECU整流應(yīng)用、高輸出功率LED前照燈的保護(hù)應(yīng)用、以及大電流工業(yè)設(shè)備電源等應(yīng)用。

目標(biāo)應(yīng)用：xEV、引擎ECU、高輸出功率LED前照燈、工業(yè)設(shè)備電源等

3-4.RBxx8系列超低IR（耐壓：30V／40V／60V／100V／150V／200V）

該系列產(chǎn)品具有超低IR，可以降低熱失控風(fēng)險(xiǎn)，非常適用于需要在高溫環(huán)境下運(yùn)行的xEV電池和電機(jī)相關(guān)ECU、以及燃油車(chē)引擎ECU和變速箱ECU等的整流應(yīng)用。該系列支持耐壓高達(dá)200V，可以替換通常在這個(gè)耐壓范圍使用的整流二極管和快速恢復(fù)二極管，并可以大幅降低VF（與FRD相比，降低約11%），還有助于降低上述車(chē)載應(yīng)用中的功耗。

目標(biāo)應(yīng)用：xEV電池管理系統(tǒng)、引擎ECU、工業(yè)設(shè)備逆變器等

4. 新產(chǎn)品：RBLQ/RLQ系列

RBLQ系列和RLQ系列新產(chǎn)品通過(guò)采用新技術(shù)和羅姆自有的溝槽MOS結(jié)構(gòu)，與以往的平面結(jié)構(gòu)產(chǎn)品相比，實(shí)現(xiàn)了更低的VF和IR。在采用普通溝槽MOS結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品中，由于結(jié)構(gòu)上的原因，trr表現(xiàn)容易變差，而新產(chǎn)品兩個(gè)系列的trr特性都得到了提升，并達(dá)到了與以往的平面結(jié)構(gòu)產(chǎn)品同等級(jí)別（業(yè)界超高等級(jí)）。由于不容易發(fā)生熱失控，并且可以降低開(kāi)關(guān)損耗，因此新產(chǎn)品非常適用于用容易發(fā)熱的車(chē)載LED前照燈驅(qū)動(dòng)電路，以及xEV用的DC-DC轉(zhuǎn)換器等需要進(jìn)行高速開(kāi)關(guān)的應(yīng)用。

目標(biāo)應(yīng)用：車(chē)載LED前照燈、xEV DC-DC轉(zhuǎn)換器、工業(yè)設(shè)備電源、照明等

4-1.與以往產(chǎn)品相比，VF和IR均得到改善

RBLQ系列和RLQ系列采用羅姆自有的溝槽MOS結(jié)構(gòu)，與耐壓和耐受電流同等的以往產(chǎn)品相比，VF降低了約15%，可以降低在整流應(yīng)用等正向使用時(shí)的功率損耗。此外，與以往的平面結(jié)構(gòu)產(chǎn)品相比，IR也降低了約60%，這可以大大降低SBD最讓人擔(dān)心的熱失控風(fēng)險(xiǎn)，從而使產(chǎn)品也可以用在溫度條件等非常嚴(yán)苛的車(chē)載應(yīng)用中（圖6)。

圖6. SBD溝槽MOS結(jié)構(gòu)

4-2.實(shí)現(xiàn)業(yè)內(nèi)超短的trr

在普通溝槽MOS結(jié)構(gòu)中，寄生電容（元器件中的電阻分量）較大，因此trr要比平面結(jié)構(gòu)差。而RBLQ系列和RLQ系列新產(chǎn)品不僅降低了VF和IR，而且還利用自有技術(shù)，通過(guò)優(yōu)化材料，實(shí)現(xiàn)了與平面結(jié)構(gòu)同等的trr特性。例如，從圖7中可以看到使用LED前照燈評(píng)估板進(jìn)行裝機(jī)評(píng)估時(shí)的開(kāi)關(guān)損耗比較情況。在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，因VF和trr引起的損耗比例比較高，但RBLQ系列和RLQ系列的trr損耗降低了約37%，VF也同時(shí)降低，因此開(kāi)關(guān)總損耗降低達(dá)26%，這將有助于降低車(chē)載LED前照燈驅(qū)動(dòng)電路、以及xEV用的DC-DC轉(zhuǎn)換器等需要進(jìn)行高速開(kāi)關(guān)的應(yīng)用產(chǎn)品功耗。

圖7. 實(shí)際裝機(jī)進(jìn)行開(kāi)關(guān)時(shí)的損耗比較

5. 未來(lái)計(jì)劃

隨著消費(fèi)電子領(lǐng)域家電的多功能化，以及在車(chē)載設(shè)備中用來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛的各種傳感器模塊等各領(lǐng)域應(yīng)用的發(fā)展，預(yù)計(jì)未來(lái)應(yīng)用產(chǎn)品中搭載的二極管數(shù)量將會(huì)繼續(xù)增加。另外，在工業(yè)設(shè)備和xEV等車(chē)載設(shè)備領(lǐng)域，由于電機(jī)性能日益提高，預(yù)計(jì)電路中的電流也會(huì)越來(lái)越大，因此需要繼續(xù)增強(qiáng)大電流產(chǎn)品陣容。羅姆為了滿足更小型、更大電流、更低損耗、更高性能等諸多難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)的需求，一直在推進(jìn)超越需求的開(kāi)發(fā)。例如，作為小型且支持大電流的封裝，羅姆計(jì)劃增強(qiáng)TO-277封裝（6.5mm×4.6mm尺寸）的產(chǎn)品陣容，并且已經(jīng)開(kāi)始了部分產(chǎn)品的量產(chǎn)。還有，預(yù)計(jì)200V耐壓產(chǎn)品在xEV車(chē)載逆變器和車(chē)載充電器等應(yīng)用中的需求將會(huì)迅速增加，因此羅姆已經(jīng)在開(kāi)發(fā)200V耐壓的新產(chǎn)品，并計(jì)劃在2022年內(nèi)投入市場(chǎng)。未來(lái)，羅姆將繼續(xù)擴(kuò)充產(chǎn)品陣容，滿足市場(chǎng)多樣化的需求，并為日新月異的下一代車(chē)載應(yīng)用實(shí)現(xiàn)更高性能、更多功能和更低功耗貢獻(xiàn)力量。

審核編輯：湯梓紅