组成数字系统的基础逻辑器件

电子发烧友网报道（文/李宁远）逻辑器件是具有逻辑功能的器件，电路中常见的逻辑门或门电路就属于基本的逻辑器件。常见的有与门、或门、非门、与非门及或非门等，利用这些门电路可以组成电子计算机所需的各种逻辑功能。
 
逻辑器件：固定与可编程
 
将逻辑门互相组合，能够实现具有复杂逻辑分析能力的各种逻辑器件，固定逻辑器件和可编程逻辑器件就是逻辑器件的两大分类，固定逻辑器件中的电路是固定的，在制成时它的功能就已经确定且无法改变，一般固定逻辑器件可以完成一种或一组同类的功能。
 
与之对应，可编程逻辑器件是可以提供多种逻辑能力、特性、速度和电压特性的标准成品部件，其可编程特性允许其完成多种不同的功能。Signetics和Intersil的PLA是可编程的开始，到后来的PAL、GAL。
 
这种可编程器件也推动了后来FPGA的产生和应用，FPGA集成度高设计灵活，可多次反复编程的特性现在已经深入人心。
 
虽然固定逻辑器件只能完成一种或一组同类的功能，灵活度上相对缺乏，但这既是劣势也是优势。与牺牲灵活度对应的优势在这种功能固定的逻辑器件一旦完成前期的开发，可以迅速大批量生产，对很多不需要变更功能的应用来说，固定逻辑器件更为经济，用量越大成本越划算。
 
对可编程逻辑器件来说，灵活度被发挥得淋漓尽致，改变功能只需要简单地更改编程文件即可。不同的可编程逻辑器件的编程工作复杂程度不一，比如PAL就会比GAL复杂很多。总的来看这些可编程逻辑器件都相当灵活而且集成度往往很高。
 
逻辑门分类与升级
 
基础的逻辑器件是只能实现基本逻辑关系的逻辑门，也叫门电路。其作用简单来说，就是通过高、低电平从而实现逻辑运算。高低电平其实就类似于二进制中的0和1。基础的门电路设计为遵循“或”、“与”和“非”这几种逻辑关系，再由这几种基础的逻辑关系构成“与非”等其他逻辑关系。
 
除了逻辑的不同，逻辑门内部的有源器件也有不同的分类，如单极、双极和双极互补型等。不同的逻辑元件会有不同的设计特点，这些特点（包括但不限于输入电源能耗、速度、封装、电压漂移等）会随着采用CMOS、TTL和ECL的不同而发生变化。
 
TTL技术已经很成熟，但是功耗大，ECL是数字电路中速度最快的，驱动能力强，抗共模干扰能力也很强，但是功耗很难降低。所以现在常见的都是CMOS逻辑门，成本不高，功耗低，性能也足够强大。
 
基本上现在逻辑器件的更新迭代，会着重考虑在速度和功耗上做优化。除非是有些逻辑门的工作电压要求需要特定的技术来实现，大多数技术路线的逻辑门都会尽可能去实现更低的功耗。
 
现在电路应用的发展有不断增加各种功能和不断缩减尺寸的趋势，如何选择最恰当的逻辑器件难度不小。虽然在设计之初就已经知道这些逻辑器件需要具备哪些逻辑功能和电压范围，但符合这两项要求的逻辑器件肯定不在少数。还需要明确该设计对传播延迟、功耗、输出驱动强度的要求，以此来综合判断选择哪种逻辑器件最为合适。
 
小结
 
各类终端市场功能的增加，对逻辑器件的尺寸、热性能、电气特征和成本要求越来越高。如何在更小的尺寸里提供更低的功耗、更好的电气特性、热性能是逻辑器件能否在医疗、汽车和工业等应用里帮助终端设备实现新功能的关键。