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來 源 : 內(nèi)容編譯 自allaboutcircuits，謝謝 。

55 年來，該邏輯系列產(chǎn)品憑借其抗噪聲能力、軌道靈活性和無與倫比的持久性，實現(xiàn)了模擬和數(shù)字設(shè)計的融合。

到了 20 世紀(jì) 60 年代末，TTL 電路憑借其速度、扇出能力以及日益豐富的門電路、鎖存器和計數(shù)器產(chǎn)品線，逐漸主導(dǎo)了數(shù)字邏輯電路。但它也帶來了功耗高、5V 固定電壓以及對模擬電路兼容性有限的缺點。RCA 公司則另有打算。

1968年，該公司推出了CD4000 COS/MOS系列，這是首個完全采用CMOS工藝制造的商用邏輯系列。CD4000的供電電壓范圍為3V至18V，輸入閾值與VDD相關(guān)，靜態(tài)功耗在納安級，代表了一種新型邏輯電路，其特點是壽命長、功耗低和抗噪聲能力強。

這是RCA公司早期生產(chǎn)的CD4029A計數(shù)器集成電路，采用16引腳陶瓷雙列直插式封裝。

半個多世紀(jì)過去了，CD4000 系列器件仍在生產(chǎn)，并繼續(xù)解決各種問題。雖然它們在開關(guān)速度上永遠(yuǎn)無法與同類產(chǎn)品匹敵，但在靈活性、穩(wěn)健性和與實際模擬信號的兼容性方面，它們?nèi)匀粺o可匹敵。它們的壽命甚至超過了創(chuàng)造它們的公司以及它們誕生的工藝節(jié)點。

從COS/MOS到通用邏輯

CD4000系列芯片最初以RCA的“COS/MOS”技術(shù)為標(biāo)志推出，但當(dāng)時并未受到太多質(zhì)疑。CMOS邏輯技術(shù)雖然在理論上為人所知，但商業(yè)化應(yīng)用卻寥寥無幾。RCA決定推出基于這種低功耗技術(shù)的整個邏輯系列芯片，無疑是一場豪賭。然而，事實證明，他們的選擇是正確的。

早期的 CD4000 系列器件雖然存在數(shù)百納秒的較長傳播延遲，但它們?yōu)樵O(shè)計人員提供了 TTL 電路無法比擬的優(yōu)勢:極低的靜態(tài)功耗、極高的噪聲容限以及無需固定 5V 電源軌。隨后推出的帶緩沖電路的“B 系列”器件進一步提高了電壓閾值和輸出驅(qū)動能力，同時保持了與 CMOS 電路的完全兼容性。

這些器件支持 3V 至 15V 或 18V 的供電電壓，具體取決于型號。邏輯閾值與 VDD 同步變化，這意味著輸入高/低電平裕量與供電電壓成正比。這使得 CD4000 器件在噪聲環(huán)境、電池供電設(shè)備以及穩(wěn)壓性能較差的系統(tǒng)中具有關(guān)鍵優(yōu)勢。

設(shè)計模數(shù)混合電路的工程師很快就將 CD4000 邏輯電路作為首選。該系列器件可在 ±15V 電壓下穩(wěn)定運行，易于與運算放大器連接，并且不受 TTL 電路難以處理的緩慢或傾斜邏輯轉(zhuǎn)換的影響。CD4000 系列產(chǎn)品線豐富，隨著時間的推移不斷擴展，涵蓋了標(biāo)準(zhǔn)邏輯門、觸發(fā)器、計數(shù)器、模擬開關(guān)、鎖相環(huán)和多路復(fù)用器等。其中許多器件，例如 CD4046 鎖相環(huán)和 CD4066 模擬開關(guān)，至今仍是設(shè)計中的經(jīng)典之作，并由多家廠商繼續(xù)銷售。

天生與模擬兼容

CD4000邏輯電路之所以深受模擬工程師的喜愛，不僅在于它能承受各種濫用情況，更在于某些部件的設(shè)計本身就鼓勵這種濫用。這一點在施密特觸發(fā)器和無緩沖電路子系列中體現(xiàn)得尤為明顯。

以CD40106B為例，這是一款六反相施密特觸發(fā)器。其明確的輸入遲滯特性使其能夠接受緩慢、噪聲較大或經(jīng)過RC濾波的信號邊沿而不會產(chǎn)生振蕩——這對于消除機械觸點抖動或構(gòu)建波形振蕩器來說是一大優(yōu)勢。其閾值隨VDD變化，因此在高電源電壓下遲滯特性自然增大，從而提高了在工業(yè)環(huán)境中的可靠性。

一塊安裝在無焊面包板上的 CD4007A

還有一款名為 CD4069UB 的無緩沖反相器。與帶緩沖的同類產(chǎn)品不同，這款芯片直接暴露了內(nèi)部反相器級。這使得它成為一個可以在線性區(qū)工作的邏輯門，可以作為簡易但實用的電壓放大器。RCA 的應(yīng)用筆記和無數(shù)業(yè)余愛好者的電路都展示了如何將這些邏輯門偏置成小信號放大器、波形整形器和振蕩器。設(shè)計人員利用其高輸入阻抗和 VDD 縮放的傳遞函數(shù)，僅使用邏輯芯片和少量無源器件即可創(chuàng)建增益級、壓控振蕩器 和單穩(wěn)態(tài)振蕩器。

其中最著名的當(dāng)屬CD4007，它由三個CMOS微對組成，可以配置成放大器、開關(guān)、電流源或邏輯門。它是一款DIY模擬/數(shù)字電路的得力助手，常用于課堂教學(xué)，演示模擬和數(shù)字電路的知識。Analog Devices公司至今仍維護著一個圍繞它的實驗?zāi)K，用于教授電路設(shè)計基礎(chǔ)知識。

跨領(lǐng)域持久性

很多邏輯系列產(chǎn)品都已過時，但 CD4000 卻一直生產(chǎn)至今，因為它的特性與現(xiàn)實世界的工程限制非常契合。

考慮電源。CD4000 系列器件可以使用非穩(wěn)壓的 12V 電源軌、±15V 模擬電源或電池組供電。在控制回路或信號鏈中使用邏輯門時，無需穩(wěn)壓器或電平轉(zhuǎn)換器。

此外，還有噪聲問題。在汽車和工業(yè)環(huán)境中，由于邊沿速率較慢且線路長度較長，CD4000 的輸入閾值和軌到軌擺幅使其比 74HC 或 LVC 等新型邏輯系列更具容錯性。它對“模擬信號”邏輯輸入的免疫力是一種優(yōu)勢，而非劣勢。

最令人印象深刻的是，耐輻射的 RCA COS/MOS 器件已通過認(rèn)證，并被用于 20 世紀(jì) 70 年代末的深空任務(wù)，包括旅行者計劃，以實現(xiàn)定時和控制邏輯。

如今，德州儀器、安森美半導(dǎo)體、Nexperia 等公司仍在銷售 CD4000 系列器件。雖然數(shù)據(jù)手冊可能有所更新，但引腳排列并未改變。從事低功耗儀器、模擬前端或加固型系統(tǒng)開發(fā)的工程師們?nèi)匀粫判牡貙⑺鼈儜?yīng)用到電路圖中，因為他們知道這些器件能夠正常工作。

今天是《半導(dǎo)體行業(yè)觀察》為您分享的第4233期內(nèi)容，歡迎關(guān)注。

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