【CMOS邏輯IC基礎知識】—解密組合邏輯背后的強大用途！（上）

在前面的芝識課堂中，我們跟大家簡單介紹了邏輯IC的基本知識和分類，并且特別提到CMOS邏輯IC因為成本、系統(tǒng)復雜度和功耗的平衡性很好，因此得到了最廣泛應用，同時也和大家一起詳細了解了CMOS邏輯IC的基本操作。邏輯IC作為一種對一個或多個數(shù)字輸入信號執(zhí)行基本邏輯運算以產(chǎn)生數(shù)字輸出信號的半導體器件，其應用也是非常豐富的，今天就來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，即組合邏輯和時序邏輯。其中組合邏輯是輸出僅為當前輸入的純函數(shù)邏輯電路類型，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、多路復用器、模擬多路復用器／多路分解器、模擬開關等；時序邏輯是一種其輸出取決于先前輸入值的順序，并由當前輸入（如控制信號觸發(fā)器、鎖存器、計數(shù)器、移位寄存器等）控制的邏輯電路類型。組合邏輯電路與時序邏輯電路的區(qū)別體現(xiàn)在輸入輸出關系、有無存儲（記憶）單元、結構特點上。

首先我們以幾個簡單的電路部分為例，來介紹組合邏輯電路的基本情況。

1 反相器

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

圖1 逆變器的操作

2 緩沖器

緩沖器（例如74VHC244），緩沖器增加驅動能力以增加可連接的信號線的數(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)器允許通過控制信號（DIR）更改信號方向，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)器的應用示例。雙向使用總線信號時，將總線輸入和總線輸出都通過上拉電阻連接到VCC或GND，以防止在控制信號（DIR）切換信號時輸入信號變?yōu)殚_路（未定義）。切換信號時請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用示例

我們來看一下圖3這個系統(tǒng)的邏輯情況，通過在／G為高電平時更改DIR的值，可以輕松更改A和B引腳的方向。／G為高電平時，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開始時保持穩(wěn)定。在周期#4，數(shù)據(jù)從A傳輸?shù)紹。詳細輸入和輸出邏輯關系如圖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

我們再看一個特別的示例，施密特觸發(fā)裝置（以VHC14為例）。施密特觸發(fā)裝置在兩個輸入閾值電壓之間有一個磁滯帶。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。對于具有磁滯的IC，正向閾值電壓（VP）不同于負向閾值電壓（VN）。對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也不會產(chǎn)生錯誤輸出，除非噪聲或反彈超過磁滯寬度。

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為例進行邏輯解讀。解碼器將N個編碼輸入的二進制信息轉換為最多2N個獨特輸出。它通常用于增加端口數(shù)量和生成芯片選擇信號。圖6顯示了3對8解碼器（即具有三個輸入和八個輸出的解碼器）的邏輯符號、真值表和時序圖。

圖6 3對8解碼器的邏輯符號和真值表以及時序圖

圖7則顯示如何使用3對8解碼器從三個輸入（A、B和C）生成八個芯片選擇信號。當A、B和C都為低電平時，只有／Y0輸出提供邏輯低電平，所以選擇IC0。圖7表明，通過三個輸入的組合，可以從最多八個芯片中選擇任意芯片。

圖7 3至8解碼器的時序圖

今天的芝識課堂，我們帶大家了解了幾種典型電路單元的對應邏輯關系，在下面的芝識課堂中，我們將繼續(xù)跟大家分享CMOS邏輯IC的基礎知識，敬請期待。

羅姆發(fā)布肖特基二極管白皮書，助力汽車、工業(yè)和消費電子設備實現(xiàn)小型化和更低損耗！

近年來，隨著電動汽車的加速以及物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)設備、消費電子設備領域的普及，應用產(chǎn)品中搭載的半導體數(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電路，而被廣泛應用在從手機到電動汽車動力總成系統(tǒng)等各種電路和領域中，半導體廠商羅姆在這些領域中已經(jīng)擁有驕人業(yè)績（圖1）。

1. 前言

近年來，隨著電動汽車的加速以及物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)設備、消費電子設備領域的普及，應用產(chǎn)品中搭載的半導體數(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電路，而被廣泛應用在從手機到電動汽車動力總成系統(tǒng)等各種電路和領域中，半導體廠商羅姆在這些領域中已經(jīng)擁有驕人業(yè)績（圖1）。

圖1. 羅姆在整流二極管和功率二極管領域的市場份額

VF（正向電壓）和IR（反向電流）是二極管的重要性能指標，它們分別會影響到正向施加時的功率損耗和反向施加時的功率損耗。“理想的二極管”是VF和IR為0的二極管，也就是進行整流和開關工作時完全沒有功率損耗的二極管。另外，VF和IR之間通常存在權衡關系，因此很難同時改善。而且，在實際的二極管中，當在開關工作期間關斷二極管時，會產(chǎn)生一些功率損耗（因為電流在trr時段內會反向流動）。

肖特基勢壘二極管（以下簡稱“SBD”）的VF和trr低于其他類型的二極管，因此在整流電路和開關電路中使用這種二極管可以實現(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險。（圖2）

圖2. 在開關期間SBD和整流二極管的VF、IR比較

針對這種情況，羅姆開發(fā)出豐富的SBD系列產(chǎn)品群，客戶可根據(jù)各種應用的需求（強調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)品不僅同時改善了本來存在權衡關系的VF和IR特性，還實現(xiàn)了SBD業(yè)內超高等級的trr特性。本文將概括介紹羅姆在SBD領域的行動以及羅姆各系列SBD產(chǎn)品的特點。

（有關SBD的詳細技術文檔，請參閱以下文章。）

車載用肖特基二極管小型高散熱封裝[PMDE]的優(yōu)越性

車載小型高效肖特基勢壘二極管“RBLQ系列”的優(yōu)勢

2. SBD需要具備的性能及其發(fā)展趨勢

圖3為SBD產(chǎn)品相關的市場情況示例，展示了一輛汽車中搭載的ECU數(shù)量。隨著ADAS（高級駕駛輔助系統(tǒng)）和自動駕駛技術的發(fā)展，一輛汽車中所搭載的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，預計未來還會繼續(xù)增加。由于汽車無法提供超出其電池和發(fā)電機能力的電力，因此制造商需要低損耗（低VF）的二極管，并且越來越多地采用VF和trr特性優(yōu)異的SBD。而另一方面，燃油車的引擎外圍電路、以及xEV的電池和電機外圍電路是在高溫環(huán)境中工作的，因此IR高的SBD的熱失控風險成為直接關系到可靠性的重大課題。因此，在選擇SBD時，關鍵在于如何在VF和IR之間取得平衡。

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

在消費電子設備中，隨著應用產(chǎn)品的功能越來越多，電路板密度也變得越來越高，甚至密度超過車載設備，因此需要更小型和超低損耗（超低VF）的SBD。另外，在工業(yè)設備應用中，其對高可靠性的要求與車載應用相同，而且由于應用產(chǎn)品的機型壽命較長，因此長期穩(wěn)定供應也很重要。綜上所述，身為通用器件的SBD，在不同的領域和應用中，其發(fā)展趨勢大不相同，制造商在其產(chǎn)品開發(fā)過程中，要求一些存在權衡關系（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，羅姆不斷推動相應產(chǎn)品的開發(fā)，并建立了以垂直統(tǒng)合型生產(chǎn)體系為中心的長期穩(wěn)定供應體系。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個系列，客戶可以根據(jù)對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，每個系列都有豐富的封裝陣容，客戶還可以根據(jù)應用產(chǎn)品的性能要求選擇小型封裝（圖5）。下頁將對每種產(chǎn)品的特點分別展開介紹。

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等使用電池低電壓驅動的移動設備中的整流應用。

目標應用：筆記本電腦、移動設備等

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%。在車載應用中，正向損耗非常少，因此作為要求更高效率的汽車信息娛樂系統(tǒng)和車載LED燈等的保護二極管，非常受歡迎。2021年8月，封裝陣容中又新增了車載用超小型PMDE封裝，可滿足市場對更小封裝的需求。

目標應用：車載信息娛樂系統(tǒng)、車載LED燈、車載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壘形成技術，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險，非常適用于需要在高溫環(huán)境下運行的引擎ECU整流應用、高輸出功率LED前照燈的保護應用、以及大電流工業(yè)設備電源等應用。

目標應用：xEV、引擎ECU、高輸出功率LED前照燈、工業(yè)設備電源等

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，可以降低熱失控風險，非常適用于需要在高溫環(huán)境下運行的xEV電池和電機相關ECU、以及燃油車引擎ECU和變速箱ECU等的整流應用。該系列支持耐壓高達200V，可以替換通常在這個耐壓范圍使用的整流二極管和快速恢復二極管，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載應用中的功耗。

目標應用：xEV電池管理系統(tǒng)、引擎ECU、工業(yè)設備逆變器等

4. 新產(chǎn)品：RBLQ/RLQ系列

RBLQ系列和RLQ系列新產(chǎn)品通過采用新技術和羅姆自有的溝槽MOS結構，與以往的平面結構產(chǎn)品相比，實現(xiàn)了更低的VF和IR。在采用普通溝槽MOS結構的產(chǎn)品中，由于結構上的原因，trr表現(xiàn)容易變差，而新產(chǎn)品兩個系列的trr特性都得到了提升，并達到了與以往的平面結構產(chǎn)品同等級別（業(yè)界超高等級）。由于不容易發(fā)生熱失控，并且可以降低開關損耗，因此新產(chǎn)品非常適用于用容易發(fā)熱的車載LED前照燈驅動電路，以及xEV用的DC-DC轉換器等需要進行高速開關的應用。

目標應用：車載LED前照燈、xEV DC-DC轉換器、工業(yè)設備電源、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結構，與耐壓和耐受電流同等的以往產(chǎn)品相比，VF降低了約15%，可以降低在整流應用等正向使用時的功率損耗。此外，與以往的平面結構產(chǎn)品相比，IR也降低了約60%，這可以大大降低SBD最讓人擔心的熱失控風險，從而使產(chǎn)品也可以用在溫度條件等非常嚴苛的車載應用中（圖6)。

圖6. SBD溝槽MOS結構

4-2.實現(xiàn)業(yè)內超短的trr

在普通溝槽MOS結構中，寄生電容（元器件中的電阻分量）較大，因此trr要比平面結構差。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，通過優(yōu)化材料，實現(xiàn)了與平面結構同等的trr特性。例如，從圖7中可以看到使用LED前照燈評估板進行裝機評估時的開關損耗比較情況。在開關過程中，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也同時降低，因此開關總損耗降低達26%，這將有助于降低車載LED前照燈驅動電路、以及xEV用的DC-DC轉換器等需要進行高速開關的應用產(chǎn)品功耗。

圖7. 實際裝機進行開關時的損耗比較

5. 未來計劃

隨著消費電子領域家電的多功能化，以及在車載設備中用來實現(xiàn)自動駕駛的各種傳感器模塊等各領域應用的發(fā)展，預計未來應用產(chǎn)品中搭載的二極管數(shù)量將會繼續(xù)增加。另外，在工業(yè)設備和xEV等車載設備領域，由于電機性能日益提高，預計電路中的電流也會越來越大，因此需要繼續(xù)增強大電流產(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實現(xiàn)的需求，一直在推進超越需求的開發(fā)。例如，作為小型且支持大電流的封裝，羅姆計劃增強TO-277封裝（6.5mm×4.6mm尺寸）的產(chǎn)品陣容，并且已經(jīng)開始了部分產(chǎn)品的量產(chǎn)。還有，預計200V耐壓產(chǎn)品在xEV車載逆變器和車載充電器等應用中的需求將會迅速增加，因此羅姆已經(jīng)在開發(fā)200V耐壓的新產(chǎn)品，并計劃在2022年內投入市場。未來，羅姆將繼續(xù)擴充產(chǎn)品陣容，滿足市場多樣化的需求，并為日新月異的下一代車載應用實現(xiàn)更高性能、更多功能和更低功耗貢獻力量。

審核編輯：湯梓紅