Menguasai Desain Sirkuit Digital: Panduan Lengkap Anda

Sirkuit digital atau elektronika digital adalah elektronika yang menggunakan sinyal digital. Mereka berbeda dari sirkuit analog karena sirkuit analog beroperasi pada sinyal analog yang operasinya jauh lebih tunduk pada attenuasi sinyal, toleransi manufaktur, dan kebiasaannya, para desainer menggunakan sekumpulan besar gerbang logika pada sirkuit terintegrasi untuk membuat sirkuit digital.

Dalam panduan ramah ini, kami memberi tahu Anda segala sesuatu tentang sirkuit digital. Baca lebih lanjut untuk mempelajari lebih lanjut.

Sejarah Singkat Sirkuit Digital

Pada tahun 1705, Gottfried Wilhelm Leibniz menyempurnakan sistem angka biner. Leibniz menetapkan bahwa dengan menggunakan sistem biner, memungkinkan untuk menggabungkan prinsip aritmatika dan logika. Pada pertengahan abad ke-19, George Boole mengembangkan filosofi digital seperti yang kita ketahui saat ini. Nantinya, pada tahun 1886, Charles Sanders Peirce menjelaskan bagaimana ilmuwan dapat melakukan operasi logika dengan beralih sirkuit listrik. Kemudian, alih-alih relai untuk operasi logika, desainer mulai menggunakan tabung vakum.

Dengan perkembangan komputer digital setelah Perang Dunia II, perhitungan numerik menggantikan analog. Segera, elemen sirkuit elektronik murni menggantikan versi mekanis dan elektromekanik mereka.

Pada tahun 1959, Mohamed Atalla dan Dawon Kahng menemukan transistor MOSFET, yang secara dramatis merevolusi industri elektronik. Dari akhir abad ke-20, transistor MOSFET memainkan peran integral dalam pembangunan sirkuit digital. Saat ini, itu adalah perangkat semiconductor yang paling populer di seluruh dunia.

Awalnya, setiap chip sirkuit terintegrasi hanya memiliki beberapa transistor. Seiring kemajuan teknologi, memungkinkan untuk menempatkan jutaan transistor MOSFET dalam satu chip. Saat ini, desainer dapat menempatkan miliaran transistor MOSFET dalam satu chip. Itu adalah bukti seberapa jauh sirkuit digital telah berkembang sejak awal mereka.

2. Sifat Sirkuit Digital

Salah satu alasan terbesar sirkuit digital sangat mudah diakses, seperti yang kita sebutkan sebelumnya, adalah mudah untuk merepresentasikannya secara digital tanpa kebisingan yang merusaknya. Misalnya, selama suara yang ditangkap selama transmisi tidak cukup untuk mencegah rute diidentifikasi, sinyal audio berturut-turut dapat direkonstruksi dalam urutan 1 dan 0 tanpa kesalahan.

Untuk mendapatkan representasi yang lebih tepat dalam sistem digital, Anda dapat merepresentasikan sinyal menggunakan lebih banyak digit biner. Tentu saja, itu membutuhkan lebih banyak sirkuit digital, tetapi karena perangkat keras yang sama menangani setiap angka, sistem mudah diskalakan. Hal-hal berbeda dengan sistem analog yang memerlukan perbaikan fundamental dalam karakteristik kebisingan dan linearitas untuk menghasilkan resolusi baru.

Di tempat Anda menggunakan sistem digital yang dikontrol komputer, memungkinkan untuk menambahkan banyak fungsi lebih banyak menggunakan revisi perangkat lunak. Dengan kata lain, Anda tidak memerlukan perubahan perangkat keras apa pun. Selain itu, Anda dapat memperkenalkan perbaikan apa pun dalam sistem digital Anda di luar pabrik dengan hanya memperbarui perangkat lunak.

Sifat lain dari sirkuit digital adalah mereka memungkinkan penyimpanan informasi yang lebih mudah. Ini karena sistem digital imun terhadap gangguan dan dapat menyimpan serta mengambil data tanpa menurunkan kinerja.

Banyak sistem digital terbaru biasanya menterjemahkan sistem analog kontinu ke sinyal digital. Ini dapat menyebabkan kesalahan kuantisasi. Untuk menjaga kesalahan ini menjadi minimum, pastikan sistem digital dapat menyimpan data digital yang cukup untuk merepresentasikan sinyal dengan tingkat fidelitas yang diinginkan.

3. Konstruksi Sirkuit Digital

Insinyur menggunakan berbagai cara untuk konstruksi gerbang logika. Kami akan menyelidiki beberapa di bawah ini.

3.1 Konstruksi Menggunakan Gerbang Logika

Produsen sirkuit digital biasanya menggunakan sirkuit elektronik kecil yang dikenal sebagai gerbang logika untuk membuat kursus digital. Dengan gerbang logika ini, memungkinkan untuk membuat logika kombinasi. Setiap gerbang logika bertindak pada sinyal logika untuk melakukan fungsi logika Boolean. Secara umum, desainer menggunakan sakit elektronik yang dikontrol untuk membuat gerbang logika. Biasanya, sakit ini adalah transistor. Valva termionik juga dapat membantu melakukan pekerjaan yang sama. Keluaran dari satu gerbang logika dapat memasuki gerbang logika lain atau mengontrolnya.

3.2 Konstruksi Menggunakan Tabel Pencarian

Jenis kedua sirkuit digital memiliki konstruksi dari tabel pencarian. Biasanya, tabel pencarian melakukan fungsi yang sama seperti sirkuit digital berdasarkan gerbang logika. Manfaat signifikan dari sirkuit digital berdasarkan tabel pencarian adalah desainer dapat dengan mudah memprogram ulang mereka tanpa melakukan perubahan pada kabel. Dengan kata lain, mudah untuk memperbaiki kesalahan desain tanpa perlu mengubah susunan kabel. Saat menangani produk volume kecil, desainer demikian lebih memilih perangkat logika yang dapat diprogram daripada jenis sirkuit digital lainnya. Dalam merancang perangkat logika yang dapat diprogram ini, insinyur biasanya menggunakan perangkat lunak otomatisasi desain.

3.3 Sirkuit Terintegrasi

Dalam konstruksi sirkuit terintegrasi, insinyur menggunakan beberapa transistor pada satu chip silikon. Ini adalah cara yang paling terjangkau untuk menciptakan volume besar gerbang logika yang saling terhubung. Biasanya, desainer menyambungkan sirkuit terintegrasi pada papan sirkuit cetak (PCB), yang adalah papan yang memegang berbagai komponen listrik dan menghubungkannya dengan jejak tembaga.

4. Desain Sirkuit Digital

Dalam merancang sirkuit digital, insinyur menggunakan berbagai cara untuk mengurangi redundansi logika, sehingga menjaga kompleksitas sirkuit pada minimum. Tetapi mengapa penting untuk menjaga kompleksitas sirkuit rendah? Nah, kompleksitas minimal mengurangi jumlah komponen dan mencegah kesalahan potensial, yang pada gilirannya menjaga biaya rendah. Beberapa teknik paling umum untuk mengurangi redundansi logika termasuk aljabar Boolean, diagram keputusan biner, algoritma Quine–McCluskey, peta Karnaugh, dan metode komputer heuristik. Insinyur perangkat lunak biasanya menggunakan metode komputer heuristik untuk melakukan operasi ini.

4.1 Representasi

Representasi adalah bagian penting ketika berkaitan dengan desain sirkuit digital. Insinyur klasik merepresentasikan sirkuit digital menggunakan set yang setara dari gerbang logika di mana desainer menggunakan bentuk yang berbeda untuk merepresentasikan setiap simbol logika. Insinyur juga dapat mengkonstruksi sistem sakit elektronik yang setara untuk merepresentasikan sirkuit digital. Representasi biasanya memiliki format file numerik untuk analisis otomatis.

4.1.1 Kombinasi vs. Sekuensial

Dalam memilih gambar, desainer biasanya mempertimbangkan berbagai jenis sistem digital. Dua kelompok umum sistem digital adalah sistem kombinasi dan sistem sekuensial. Sistem kombinasi menyajikan output yang sama untuk input yang sama. Sistem sekuensial, di sisi lain, adalah sistem kombinasi yang umpan balik beberapa output sebagai input.

Ada dua subkategori lebih lanjut dari sistem sekuensial: sistem sekuensial sinkron yang mengubah status sekaligus dan sistem sekuensial asinkron yang mengubah setiap kali input berubah.

4.1.2 Desain Komputer

Komputer adalah peralatan logika transfer register umum yang paling biasa. Mesin ini adalah abakus biner otomatis. Mikro-sequencer menjalankan unit kontrol jaringan, yang sendiri adalah program mikro. Mayoritas komputer adalah sinkron, meskipun ada juga komputer asinkron di pasar.

4.2 Kekhawatiran Desain dalam Sirkuit Digital

Karena insinyur menggunakan komponen analog dalam sirkuit elektronik digital, sifat analog dari komponen tersebut dapat mengganggu perilaku digital yang diinginkan. Desain saluran digital demikian perlu mengelola topik-topik seperti margin waktu, kebisingan, kapasitansi, dan induktansi parasit.

4.3 Alat Desain Sirkuit Digital

Selama bertahun-tahun, insinyur telah merancang mesin logika berukuran besar yang bertujuan untuk meminimalkan upaya insinyur yang mahal. Saat ini, ada program komputer yang dikenal sebagai alat otomatisasi desain elektronik (EDA) yang ada untuk tujuan ini. Misalnya, ada perangkat lunak manufaktur yang memberikan bantuan yang baik bagi desainer sirkuit digital.

4.4 Pengujian Sirkuit Logika

Alasan utama insinyur menguji sirkuit logika adalah untuk memverifikasi apakah desain memenuhi spesifikasi waktu dan fungsional. Penting untuk memeriksa setiap salinan saluran digital untuk memastikan bahwa proses manufaktur tidak memperkenalkan cacat.

5. Pertimbangan Desain Sirkuit Digital

Perkembangan desain sirkuit digital telah lambat tetapi stabil. Kami melacak perjalanan ini dengan melihat berbagai keluarga logika di bawah ini.

5.1 Relai

Desain pertama saluran digital memiliki logika relai. Desain ini terpercaya dan murah. Namun, ini lambat, dan ada kegagalan mekanis sesekali. Biasanya ada sepuluh fanout yang menyala di kontak.

5.2 Vakum

Logika vakum segera mengikuti logika relai. Manfaat utama vakum adalah mereka cepat. Namun, vakum menghasilkan banyak panas, dan filamen sering kali terbakar. Perkembangan tabung komputer pada tahun 1950 adalah perbaikan yang signifikan dalam ruang karena tabung komputer ini dapat berjalan selama ratusan ribu jam.

5.3 Logika Resistor-Transistor

Ini adalah keluarga logika semiconductor pertama. Logika resistor-transistor ribuan kali lebih terpercaya dari tabung. Ini menggunakan daya jauh lebih sedikit dan berjalan lebih dingin. Namun, fan-outnya sangat rendah: 3 secara keseluruhan. Nantinya logika dioda-transistor meningkatkan fan-out menjadi 7 dan lebih mengurangi daya.

5.4 Logika Transistor-Transistor

Perbaikan dramatis dari logika sebelumnya, logika transistor-transistor memiliki fan-out 10. Nantinya, fan-out tersebut meningkat menjadi 20. Logika ini juga sangat cepat. Logika ini masih digunakan saat ini dalam desain sirkuit digital tertentu.

5.5 Logika Emitter Coupled

Model emitter-coupled sangat cepat. Namun, logika ini menggunakan banyak daya. Komputer berkinerja tinggi dengan komponen skala menengah secara luas menggunakan logika ini.

5.6 Logika CMOS

Logika CMOS adalah logika yang paling populer untuk sirkuit terintegrasi saat ini. Logika ini cepat, menyediakan kepadatan sirkuit tinggi dan daya rendah per gerbang logika. Bahkan komputer besar dan cepat menggunakan logika ini.

Perkembangan Terbaru di Bidang Sirkuit Digital

Peneliti di bidang sirkuit digital baru-baru ini telah mencapai kemajuan yang signifikan. Berikut beberapa contoh:

6.1 Penggunaan Memristor

Pada tahun 2009, misalnya, peneliti menemukan bahwa memristor dapat membantu mengimplementasikan penyimpanan status Boolean. Ini menyediakan keluarga logika lengkap yang menggunakan jumlah daya dan ruang yang kecil dengan proses CMOS sederhana.

6.2 Penemuan RSFQ

Peneliti juga telah menemukan superkonduktivitas. Penemuan ini memungkinkan insinyur untuk mengembangkan teknologi sirkuit fluks kuantum tunggal cepat (RSFQ) yang menggunakan simpulan Josephson alih-alih transistor. Insinyur baru-baru ini mencoba membangun sistem komputasi optik murni yang dapat memproses informasi digital menggunakan elemen visual nonlinier.

Ringkasan

Sirkuit digital berada di pusat elektronika digital dan pemrosesan komputer saat ini. Dengan kerentanan rendah terhadap kebisingan dan degradasi kualitas, sirkuit ini jauh lebih disukai dibandingkan sirkuit analog. Dan dengan para insinyur dan peneliti yang melindungi diri untuk kemajuan bidang saluran digital, desain dan kinerja perangkat ini hanya akan semakin baik.

Apakah Anda mencari sirkuit digital yang akan secara sempurna memenuhi kebutuhan unik Anda? Di WellPCB, kami mengabdikan diri untuk menyampaikan solusi sirkuit digital terbaik kepada pelanggan kami di seluruh dunia. Kunjungi situs web kami hari ini untuk mempelajari lebih lanjut tentang layanan kami.