디지털 회로 구축에 대한 종합 가이드

디지털 회로 또는 디지털 전자 장치는 디지털 신호를 사용하는 전자 장치입니다. 아날로그 회로는 아날로그 신호에서 작동한다는 점에서 아날로그 회로와 다릅니다. 그 작동은 신호 감쇠, 제조 허용오차 및 노이즈에 훨씬 더 영향을 받습니다. 일반적으로 설계자는 집적 회로에서 대규모 논리 게이트 어셈블리를 사용하여 디지털 회로를 만듭니다.

이 친절한 가이드에서 디지털 회로에 대한 모든 것을 알려드립니다. 자세히 알아보려면 계속 읽어보세요.

디지털 회로의 간략한 역사

1705년에 Gottfried Wilhelm Leibniz는 이진수 체계를 개선했습니다. 라이프니츠는 이진법을 사용하여 산술과 논리의 원리를 결합하는 것이 가능하다는 것을 확립했습니다. 19세기 중반에 George Boole은 오늘날 우리가 알고 있는 디지털 철학을 구상했습니다. 나중에 1886년 Charles Sanders Peirce는 과학자들이 전기 스위칭 회로를 전환하여 논리적 연산을 수행할 수 있는 방법을 설명했습니다. 그런 다음 설계자는 논리 연산용 릴레이 대신 진공관을 사용하기 시작했습니다.

제2차 세계대전 이후 디지털 컴퓨터의 발달로 수치 계산이 아날로그를 대체했습니다. 곧 순수한 전자 회로 요소가 기계 및 전기 기계 요소에서 대체되었습니다.

1959년 Mohamed Atalla와 Dawon Kahng은 전자 산업에 극적인 혁명을 일으킨 MOSFET 트랜지스터를 발명했습니다. 20세기 후반부터 MOSFET 트랜지스터는 디지털 회로 구축에 필수적인 역할을 했습니다. 현재 전 세계적으로 가장 많이 사용되는 반도체 소자입니다.

처음에 각 집적 회로 칩에는 몇 개의 트랜지스터만 있었습니다. 기술이 발전함에 따라 수백만 개의 MOSFET 트랜지스터를 단일 칩에 배치하는 것이 가능해졌습니다. 오늘날 설계자는 단일 칩에 수십억 개의 MOSFET 트랜지스터를 배치할 수 있습니다. 디지털 회로가 초창기부터 얼마나 발전했는지 보여주는 증거입니다.

2. 디지털 회로의 속성

디지털 회로가 접근성이 높은 가장 큰 이유 중 하나는 앞에서 언급한 것처럼 잡음이 저하되지 않고 디지털 방식으로 표현하기가 쉽기 때문입니다. 예를 들어, 전송 중에 포착된 소리가 경로 식별을 방해하기에 충분하지 않은 한, 연속적인 오디오 신호는 오류 없이 1초와 0초 순서로 재구성될 수 있습니다.

디지털 시스템에서 보다 정확한 표현을 얻으려면 더 많은 이진수를 사용하여 신호를 나타낼 수 있습니다. 물론 더 많은 디지털 회로가 필요하지만 동일한 종류의 하드웨어가 각 번호를 처리하므로 시스템을 쉽게 확장할 수 있습니다. 새로운 해상도를 생성하기 위해 노이즈 특성과 선형성의 근본적인 개선이 필요한 아날로그 시스템에서는 상황이 다릅니다.

컴퓨터 제어 디지털 시스템을 사용하는 경우 소프트웨어 개정을 사용하여 더 많은 기능을 추가할 수 있습니다. 즉, 하드웨어 변경이 필요하지 않습니다. 또한 소프트웨어를 업데이트하기만 하면 공장 외부에서 디지털 시스템의 개선 사항을 도입할 수 있습니다.

디지털 회로의 또 다른 속성은 정보를 보다 쉽게 ​​액세스할 수 있다는 점입니다. 디지털 시스템은 간섭에 영향을 받지 않으며 성능 저하 없이 데이터를 저장하고 검색할 수 있기 때문입니다.

대부분의 최신 디지털 시스템은 일반적으로 연속 아날로그 시스템을 디지털 신호로 변환합니다. 양자화 오류가 발생할 수 있습니다. 이러한 오류를 최소화하려면 디지털 시스템이 신호를 원하는 정도의 충실도로 표현할 수 있는 적절한 디지털 데이터를 저장할 수 있는지 확인하십시오.

3. 디지털 회로의 구성

엔지니어는 다양한 방법을 사용하여 논리 게이트를 구성합니다. 아래에서 그 중 일부를 조사하겠습니다.

3.1 논리 게이트를 사용한 구성

디지털 회로 제조업체는 일반적으로 논리 게이트로 알려진 작은 전자 회로를 사용하여 디지털 코스를 만듭니다. 이러한 논리 게이트를 사용하여 조합 논리를 생성할 수 있습니다. 각 논리 게이트는 논리 신호에 작용하여 부울 논리의 기능을 수행합니다. 일반적으로 설계자는 전자 제어 스위치를 사용하여 논리 게이트를 생성합니다. 일반적으로 이러한 스위치는 트랜지스터입니다. 열이온 밸브도 동일한 작업을 수행하는 데 도움이 될 수 있습니다. 한 논리 게이트의 출력은 다른 논리 게이트에 공급하거나 제어할 수 있습니다.

3.2 조회 테이블을 사용한 구성

두 번째 유형의 디지털 회로는 룩업 테이블에서 구성하는 것이 특징입니다. 일반적으로 룩업 테이블은 논리 게이트를 기반으로 하는 디지털 회로와 유사한 기능을 수행합니다. 룩업 테이블을 기반으로 하는 디지털 채널의 중요한 이점은 설계자가 배선을 변경하지 않고 쉽게 다시 프로그래밍할 수 있다는 것입니다. 즉, 배선 배열을 변경하지 않고도 설계 오류를 쉽게 수정할 수 있습니다. 따라서 설계자는 소량 제품을 다룰 때 다른 종류의 디지털 회로보다 프로그래밍 가능한 논리 장치를 선호합니다. 이러한 프로그래밍 가능한 논리 장치를 설계할 때 엔지니어는 일반적으로 설계 자동화 소프트웨어를 사용합니다.

3.3 집적 회로

집적 회로를 구성할 때 엔지니어는 하나의 실리콘 칩에 여러 트랜지스터를 사용합니다. 이것은 대량의 상호 연결된 논리 게이트를 생성하는 가장 저렴한 방법입니다. 일반적으로 설계자는 인쇄 회로 기판(PCB)에서 집적 회로를 상호 연결합니다. 인쇄 회로 기판은 다양한 전기 부품을 보유하고 구리 트레이스로 연결하는 기판입니다.

4. 디지털 회로 설계

디지털 회로를 설계할 때 엔지니어는 논리 중복을 줄이기 위해 다양한 방법을 사용하여 회로 복잡성을 최소화합니다. 그러나 회로 복잡성을 낮게 유지하는 것이 왜 필수적인가? 최소한의 복잡성은 구성 요소 수를 줄이고 잠재적인 오류를 방지하여 비용을 낮게 유지합니다. 논리 중복을 줄이는 가장 일반적인 기술에는 부울 대수, 이진 결정 다이어그램, Quine-McCluskey 알고리즘, Karnaugh 맵 및 휴리스틱 컴퓨터 방법이 있습니다. 소프트웨어 엔지니어는 일반적으로 이러한 작업을 수행하기 위해 휴리스틱 컴퓨터 방법을 사용합니다.

4.1 표현

표현은 디지털 회로 설계에 있어 필수적인 부분입니다. 고전적인 엔지니어는 디자이너가 각 논리 기호를 표현하기 위해 다른 모양을 사용하는 등가 논리 게이트 세트를 사용하는 디지털 회로를 나타냅니다. 엔지니어는 디지털 회로를 나타내는 등가 전자 스위치 시스템을 구성할 수도 있습니다. 표현에는 일반적으로 자동화된 분석을 위한 숫자 파일 형식이 있습니다.

4.1.1 조합 vs. 순차

이미지를 선택할 때 디자이너는 일반적으로 다양한 유형의 디지털 시스템을 고려합니다. 디지털 시스템의 두 가지 일반적인 그룹은 조합 시스템과 순차 시스템입니다. 조합 시스템은 동일한 입력에 대해 동일한 출력을 제공합니다. 반면에 순차 시스템은 일부 출력을 입력으로 피드백하는 조합 시스템입니다.

순차 시스템에는 두 가지 하위 범주가 더 있습니다. 한 번에 상태를 변경하는 동기 순차 시스템과 입력이 변경될 때마다 변경되는 비동기 순차 시스템입니다.

4.1.2 컴퓨터 디자인

컴퓨터는 가장 일반적인 범용 레지스터 전송 논리 장비입니다. 기계는 자동 이진 주판입니다. 마이크로 시퀀서는 그 자체가 마이크로 프로그램인 네트워크의 제어 장치를 실행합니다. 시장에 비동기식 컴퓨터도 있었지만 대다수의 컴퓨터는 동기식입니다.

4.2 디지털 회로의 설계 문제

엔지니어가 디지털 전자 회로에서 아날로그 구성 요소를 사용함에 따라 이러한 구성 요소의 아날로그 특성은 원하는 디지털 동작을 방해할 수 있습니다. 따라서 디지털 채널의 설계는 타이밍 마진, 노이즈, 커패시턴스 및 기생 인덕턴스와 같은 주제를 관리해야 합니다.

4.3 디지털 회로 설계 도구

수년에 걸쳐 엔지니어들은 비용이 많이 드는 엔지니어링 노력을 최소화하는 것을 목표로 하는 상당한 규모의 논리 기계를 설계했습니다. 현재 이러한 목적으로 존재하는 전자 설계 자동화 도구(EDA)로 알려진 컴퓨터 프로그램이 있습니다. 예를 들어, 디지털 회로 설계자에게 탁월한 지원을 제공하는 제조 가능성 소프트웨어가 있습니다.

4.4 논리 회로 테스트

설계가 타이밍 및 기능 사양을 충족하는지 확인하기 위해 엔지니어가 논리 회로를 테스트하는 주된 이유입니다. 디지털 채널의 각 사본을 검사하여 제조 프로세스에 결함이 없는지 확인하는 것이 중요합니다.

5. 디지털 회로 설계 고려 사항

디지털 회로 설계의 진행은 느리지만 꾸준합니다. 아래의 다양한 논리군을 살펴봄으로써 이 여정을 추적합니다.

5.1 릴레이

디지털 채널의 첫 번째 디자인은 릴레이 로직을 특징으로 했습니다. 이 디자인은 신뢰할 수 있고 저렴했습니다. 그러나 속도가 느리고 때때로 기계적 고장이 발생했습니다. 접점에는 일반적으로 10개의 팬아웃이 있습니다.

5.2 진공

진공 논리는 릴레이 논리를 즉시 따랐습니다. 진공청소기의 주요 이점은 신속하다는 것입니다. 그러나 진공 청소기는 많은 열을 발생시켰고 필라멘트가 자주 끊어졌습니다. 1950년대에 컴퓨터 튜브의 개발은 이러한 컴퓨터 튜브가 수십만 시간 동안 작동할 수 있었기 때문에 보이드의 상당한 개선이었습니다.

5.3 저항-트랜지스터 논리

이것은 최초의 반도체 로직 제품군이었습니다. 저항 트랜지스터 논리는 튜브보다 수천 배 더 안정적이었습니다. 그것은 훨씬 적은 전력을 사용하고 더 시원하게 달렸습니다. 그러나 팬아웃은 총 3개로 매우 적었습니다. 나중에 다이오드 트랜지스터 로직은 팬아웃을 7로 높이고 전력을 더욱 줄였습니다.

5.4 트랜지스터-트랜지스터 논리

이전 논리에 비해 극적으로 개선된 트랜지스터-트랜지스터 논리의 팬아웃은 10이었습니다. 나중에 해당 팬아웃은 20으로 향상되었습니다. 이 논리도 놀라울 정도로 빠릅니다. 이 로직은 오늘날에도 여전히 특정 디지털 회로 설계에서 사용되고 있습니다.

5.5 이미터 결합 로직

이미 터 결합 모델은 매우 빠릅니다. 그러나 이 논리는 많은 힘을 사용합니다. 중간 규모 구성 요소가 있는 고성능 컴퓨터는 이 논리를 광범위하게 사용합니다.

5.6 CMOS 로직

CMOS 논리는 오늘날 집적 회로에 가장 널리 사용되는 논리입니다. 로직은 빠르고 로직 게이트당 높은 회로 밀도와 낮은 전력을 제공합니다. 크고 빠른 컴퓨터도 이 논리를 사용합니다.

디지털 회로 분야의 최신 개발

디지털 회로 분야의 연구자들은 최근 상당한 진전을 이루었습니다. 다음은 몇 가지 예입니다.

6.1 멤리스터의 사용

예를 들어 2009년에 연구자들은 멤리스터가 부울 상태 저장을 구현하는 데 도움이 될 수 있음을 발견했습니다. 이것은 간단한 CMOS 프로세스를 사용하여 적은 양의 전력과 공간을 제공하는 완전한 로직 제품군을 제공합니다.

6.2 RSFQ의 발견

연구자들은 또한 초전도성을 발견했습니다. 이 발견을 통해 엔지니어는 트랜지스터 대신 조셉슨 접합을 사용하는 RSFQ(Rapid Single Flux Quantum) 회로 기술을 개발할 수 있습니다. 엔지니어들은 가장 최근에 비선형 시각 요소를 사용하여 디지털 정보를 처리할 수 있는 순수 광학 컴퓨팅 시스템을 구축하려고 시도했습니다.

요약

디지털 회로는 오늘날 디지털 전자 및 컴퓨터 처리의 중심에 있습니다. 노이즈 및 품질 저하에 대한 민감도가 낮기 때문에 이러한 회로는 아날로그 회로보다 훨씬 더 선호됩니다. 그리고 엔지니어와 연구원들이 디지털 채널 분야의 발전에 전념하면서 이러한 장치의 설계와 성능은 더욱 향상될 것입니다.

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