集成电路(IC)已经彻底改变了数字电子学，这些IC在促进数字电子学的发展方面做出了重大贡献，提供了一系列逻辑功能和专用电路，分为不同的逻辑家族。逻辑家族指的是一组实现逻辑功能的IC。逻辑电路通常由相互连接的逻辑门组成，以执行诸如AND、OR、NOT、XOR、NAND、NOR等逻辑操作。

　　逻辑门并不是作为单个组件销售的，而是包含在或多或少复杂的集成电路中。逻辑家族的特点包括供电电压、转换速度、功耗和噪声特性。每个逻辑家族都有其独特性，可以根据项目的需求在不同的背景下使用。

　　在众多广泛使用的逻辑家族中，TTL(晶体管-晶体管逻辑)和CMOS(互补金属氧化物半导体)是最为常见的。当然，还有其他未在此讨论的逻辑家族。TTL因其输入和输出阶段都使用晶体管而得名，而CMOS则因使用MOSFET而得名。这两种逻辑家族在制造技术上有所不同。TTL家族的供电电压为5V，而CMOS则在3V到18V之间。两者的逻辑值(真或假)的识别电压水平也有所不同。无论如何，避免进入之前讨论的不确定区域是明智的。

　　特点

　　这两种逻辑家族有不同的特性，设计人员在设计电路时必须预先了解这些特性。下表突出显示了两种家族的不同特性，在每种情况下，务必仔细查阅相关的官方数据表。

　　一些示例电路

　　IC型号众多，无法一一列出。不同的IC包含在单个芯片内封装的NAND、NOR、NOT等逻辑门。作为一个非常一般的例子，图1显示了一些具有不同输入的AND门，具体分类如下：

　　TTL：

　　7408：四个2输入AND门

　　7411：三个3输入AND门

　　7421：两个4输入AND门

　　CMOS：

　　CD4081：四个2输入AND门

　　CD4073：三个3输入AND门

　　CD4082：两个4输入AND门

　　一些配置的引脚分布不兼容，因此设计人员必须始终遵循官方使用图。

　　一个通用示例

　　在电路中使用集成IC中的所有逻辑门并非必要。逻辑集成电路设计有多个逻辑门，例如，四个2输入AND门或两个4输入OR门，但这并不意味着所有门必须同时使用。在设计电路时，只使用实现所需功能的逻辑门。例如，如果需要实现一个两输入的AND逻辑操作，可以使用IC中的一个AND门，而将其他门闲置。未使用的输入可以接地。这提供了在将来需要时无需添加额外的外部组件即可使用剩余逻辑门执行其他功能的可能性。

　　为了理解逻辑IC的一般操作，假设如下系统：一个房子的前门配备了一个电子锁，只有当三个应答器被激活时才能打开，逻辑图如图2所示。它由以下模块组成：

　　三个NFC标签及其解码器

　　一个处理三个输入的逻辑电路

　　一个电子锁

　　有趣的是，创建此电路无需使用微控制器，尽管后者无疑是更先进的解决方案。它们是在逻辑门之后发明的，因此对于简单电路来说，最自然的选择是使用逻辑IC。设计有许多不同的解决方案。一种好的解决方案是使用集成电路7411(三个3输入AND门)或CD4073(三个3输入AND门)。系统只使用了IC中的一个AND门，其他两个保持未使用状态(见图3中的原理电路图)。如前所述，未使用的输入最好接地。三输入AND端口的真值表预测只有当所有三个输入都为逻辑1时才会生成输出信号1。因此，需要所有访问TAG同时激活电子锁。相应的NFC解码器必须能够在卡未被识别时发送低逻辑信号，如果TAG被正确识别和验证则发送高逻辑信号。如图所示，还提出了一个可能的PCB实现解决方案，涉及系统逻辑。

　　另一个防盗报警示例

　　与逻辑门相关的IC列表非常长。撇开较旧的型号不谈，今天的市场上有非常快速和高性能的逻辑门，包括TTL和CMOS类型。在此列出并解释市场上的所有现有类型将是非常简略的。它们还根据集成的水平和构成不同逻辑门的内部组件进行划分。设计人员应仔细记录各种现有型号及其组件家族。

　　以下示例(如图4所示)涉及一个简单的四区防盗报警系统。传感器可以通过检测热量、光线、噪音或其他的设备表示。只需至少一个传感器被激活即可触发报警。系统只需使用一个集成电路，例如CD4071(四个2输入OR门)，这是一个带有四个OR门的CMOS芯片，每个输入有两个端口。

　　以下真值表显示了电路中端口的所有可能逻辑状态。此外，该项目有助于理解如何使用更简单的逻辑门实现复杂逻辑门。

　　以下源代码清单使用PARI/GP编写，但可以轻松修改为任何其他编程语言，生成4个数字输入的16种组合(2^4=16)。

　　图中包含了通用接线图(顶部)和整个集成电路4071的接线图。由二极管、低电阻值电阻和高电容电解电容组成的电气网络(见图5)使得即使驱动脉冲很短，LED灯的报警信号也能持续很长时间。该信号是模拟的，但通过适当的安排，使用未连接的第四个OR端口可以将其转换为数字信号。

　　结论

　　集成电路对现代设备和数字系统的运行至关重要。逻辑家族提供了广泛的解决方案，以满足数字电子学的各种需求，并继续推动该领域的创新，促使设备越来越强大、复杂且小型化。如果系统简单，设计人员不需要微控制器，只需要逻辑集成电路就足够了。浮思特科技专注功率器件领域，为客户提供IGBT、IPM模块等功率器件以及MCU和触控芯片，是一家拥有核心技术的电子元器件供应商和解决方案商。