EC 基本功 - 數位電子學

EC 基本功

所謂靭體工程師(Firmware Engineer)就是除了要有Software Coding的能力，也需要有基本的 Hardware 常識，因為EC工程師常常需要和硬體工程師合作一起排除錯解決問題，因此，Hardware 的常識變成了EC工程師需要具備能力之一。所以，本篇文章以介紹常用到的數位邏輯常識為入門，打好 EC Engineer 的基本功。

• 數位電子學

據說起源於中國的八卦中的兩儀為太陰及太陽(二進制)，八個卦相(八進制)等，中國人延續老祖宗的智慧用於風水、算命、治國、武術等。西方人將其運用到演算、儲存等功能，稱為數位電子學。

名詞解釋

• 奇同位 (Odd Parity) – 一組數碼中加入一個位元,整組數碼就有奇數個1。
• 偶同位 (Even Parity) – 一組數碼中加入一個位元,整組數碼就有偶數個1。
• N型半導體 – 在本質半導體上加入五價元件。
• P型半導體 – 在本質半導體上加入三價元件。
• PN 介面 – N型導體會失去電子而產生帶正電的離子，而P型半導體會得到電子而產生帶負電的離子。
• 推挽式輸出 (Push-Pull) – 二個電晶體接成對稱方式，聯合工作，當一個電晶體工作，而另一個電晶體休息.可以減少二次諧波，並是高效率。

• 邏輯閘

邏輯閘是數位電路設計時的最基本元件，因此本章節由邏輯的基本特性開始，進而介紹各種基本邏輯閘及介紹在實際線路上的應用。

• 電氣特性

邏輯閘的組成元件主要可分為TTL ( Transistor-Tramsistor Logic ) 或MOS (Metal-Oxide Semiconductor Logic ) 所組成。組合元件不相同，邏輯閘的電氣特性也會不同。如下表

	TTL	MOS
V Input High	> 2.0	> 0.7 VDD
V Input Low	< 0.8	< 0.3 VDD
V Output High	> 2.4	> 0.7 VDD
V Output Low	< 0.4	< 0.3 VDD

• NMOS

二個N型矽的源極與汲極先在P型基座上製好，然後加一層二氧化矽作為絕緣之用，再於源極、汲極間的通道上方加一層金屬極作為閘極。在加強式N-MOS電晶體中，加在汲極的正電壓對源極的電子施以吸引力，由於電子無法穿過P型通道，因此沒有電流產生，可是當閘極加了正電壓，閘極的電場吸引通道內的電子，使通道上面產生一層電子層，於是電子流從源極流向汲極。在空乏式N-MOS電晶體中，由於源極和汲極間製有固定的N型矽通道，因此在正常狀況下電晶體是導通的，只有在閘極加了負電壓後電流才會停止，因為此時通道中導電的電子都被負電壓趕走了。

• 動作原理 :

若閘極 (GATE) 和基極 (BASE) 之間加上VGS電壓，因為閘極的正電場會吸引大量的電子形成一個N型的電子通道，使源極 (SOURCE) 和吸極 (DRAIN) 呈電阻抗狀態，因此閘極電壓愈高，N－Channel 的阻抗愈低，IDS電流愈大。

• 符號 :

• 結構圖 :

• PMOS

二個P型矽的源極與汲極先在N型基座上製好，然後加一層二氧化矽作為絕緣之用，再於源極、汲極間的通道上方加一層金屬極作為閘極。在加強式P-MOS電晶體中，加在汲極的負電壓對源極的電洞施以吸引力，由於電洞無法穿過N型通道，因此沒有電流產生，可是當閘極加了負電壓，閘極的電場吸引通道內的電洞，使通道上面產生一層電洞層，於是電洞流從源極流向汲極。在空乏式P-MOS電晶體中，由於源極和汲極間製有固定的P型矽通道，因此在正常狀況下電晶體是導通的，只有在閘極加了正電壓後電流才會停止，因為此時通道中導電的電洞都被正電壓趕走了。

• 動作原理 :

若閘極 (GATE)和基極 (BASE)之間加上VGS電壓，因為閘極的負電場會排斥大量的電子形成一個P型的電子通道，使源極 (SOURCE) 和吸極 (DRAIN) 呈電阻抗狀態。因此閘極電壓愈高，P－Channel 的阻抗愈低，IDS電流愈大。

• 符號 :

• 結構圖 :

 

• NMOS 範例

 

推動風扇的線路，當 VFAN 的電壓愈大，Q22 的 VGS 愈大，N-Channel 的阻抗就愈低，流過的電流就大，Q=I×t=C×V，電流愈大，電壓愈高，風扇轉得愈快

。所以若要 MOS 完全導通，Q22 的 VG 要大於 VS 和 VD 的1.5 倍，也就是要大於 7.5V。在 EW5 我們設為7.6V。( VFAN =3.3V )

• AND

定義：當二輸入端同時都為1時，其輸出為1。

• 等效電路 :

• 符號 :

• 真值表 :

X1	X2	Y1
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

• OR

定義：當二輸入端只要任一輸入端為1時，其輸出為1

• 等效電路 :

• 符號 :

• 真值表 :

X1	X2	Y1
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	1

• NOT

定義：反閘只有一個輸入及一個輸出。當輸入端為1時，其輸出為0，相反地當輸入端為0時， 其輸出為1。

• 等效電路 :

• 符號 :

• 真值表 :

X	Y
0	1
1	0

其他設計

• Open Collector 是指將TTL的輸出電晶體的集極 (Collector) 之上的線路移除，而 Open Drain 是指將 CMOS 輸出 MOSFET 的吸極 (Drain) 之上的線路移除。可以用於當輸出要推動大電流的裝置或者將所有輸出連接在一起形成連線AND 閘。

• 在線路上的 D1、D2 有以下幾個保護作用:
• 防止負電壓輸入
• 防止過電壓輸入
• 防止 Floating 振盪現象
• 防止 ESD 靜電打穿

• 肖特基TTL

在 TTL 邏輯電路中，電晶體均工作於截止區和飽和區，當電晶體由飽和區轉到截止區時，因基極上多餘的電荷，產生儲存時間延遲，而限制了電路的轉態時間．

因此，我們在電晶體的集極和基極加上一個肖特基二極體，而肖特基二極體有低的順向電壓的特性，約 0.25V, 在電晶體要進入飽和的時侯，因為肖特基二極體的導通, 只有 0.25V，將在基極上的多餘的電荷短路掉，使其無法積蓄在基極上. 加快了轉換時間．

• 三態閘

是一個用來表示三種狀態的數位電路。其中兩個狀態相當於邏輯1和0就像是一個傳統的邏輯閘。第三個狀態是高阻抗。高阻抗狀態就像是一個開路的行為，這是指輸出顯得似乎是不連接並且電路沒有邏輯意義。

• 等效電路 :

• 符號 :

• 真值表 :

G	X	Y
0	X	高阻抗
1	0	1
1	1	0

• 傳輸閘

基本上是受輸入的邏輯電位控制的一種電子式開關。當使用CMOS技術製造時，用 來簡化不同數位元件的結構。

• 等效電路 :

• 符號 :

• 真值表 :

C	I/O
0	開路
1	短路

• 史密特閘

史密特觸發器具有波形整行的功能，而且具有遲滯現象可以容許較大的雜訊範圍．

• 編碼器及解碼器

• 編碼器 - m 個輸入端每次最多只有一被激發的邏輯線路，輸出端上便大一相對應之n 位元碼送出.例如: KBC 的 keyboard matrix．

• 解碼器 - 將 n位元的輸入碼轉換成 m個輸出端.每次最多只有一個被激發.

• 多工器及解多工器

• 多工器 - 將許多不同的輸入訊號經選擇送至一個或一組的接收端

例如 : MCU 的 alternate function

• 由圖, 多工器 MUX1、MUX2、MUX3經由 Alternate function 選擇功能路徑，也因此我們將 Alternate Register 設為 High 或 Low，去選擇 EC 腳當做 I/O 或者 PWM...etc．

• 由圖, 可以得知，PxDIN 的工作路徑是經由 MUX3，而 PxDOUT 的工作路徑是經由 MUX2，所以 EC alternate 設為 GPIO 時，可以當做 Input，也可以當做 Output．

• 解多工器 - 從許多組輸入信號選其中一組做為輸出

• 正反器 (Filp-Flop)

它可用來儲存1個位元二進位資訊之基本元件。一般而言，正反器有1至2個輸入端和2個輸出端，及幾個控制信號。 正反器的兩個輸出彼此永遠為互補狀態，故又稱為雙穩態多諧震盪器，而正反器的輸出是由輸入、控制信號和上一狀態來決定的，且只要電路之電源不斷，它會維持某一個狀態，直到輸入訊號改變為止。

• R-S 正反器

• 電路 :

• RS觸發器 :

• 真值表 :

RS正反器的邏輯符號與真值表如下               

• S : PRESET (預設)輸入高電位時，輸出Q會預設為高電位。
• R : RESET (清除)輸入高電位時，輸出Q清除為低電位。
• CK(時脈)輸入為正緣激發時，視輸入信號(R,S)值來決定輸出Q值。
• 當RS正反器的輸入(R,S) = (1,1)將產生競賽而無法確定輸出Q值。

 

R	S	Q ~Q
0	0	保持前次狀態
0	1	1   0
1	0	0   1
1	1	不允許

• D正反器

D正反器的邏輯符號與真值表如下圖。D正反器其功能如同將RS正反器之輸入信號R與S連接在一起。

• 電路 :

• D觸發器[閂 Latch] :

• 真值表 :

R	Q ~Q
0	0  1
1	1   0

• J-K 正反器

JK正反器的邏輯符號與真值表如下圖。JK正反器是針對RS正反器的競賽情形改良而成，改良後的輸出為前一次狀態(Qn)取補數，此乃唯一與RS正反器不同之處。

• 電路 :

• JK觸發器 :

• 真值表 :

J	K	Q ~Q
0	0	保持前次狀態
0	1	0   1
1	0	1   0
1	1	前次狀態反向

• T 正反器

T正反器的邏輯符號與真值表如下圖。其功能如同將JK正反器輸入信號J與K連接在一起。

• 電路 :

• T觸發器 ​:

• 真值表 :

T	Q
0	保持前次狀態
1	前次狀態反向

• 振盪器及計數器

• 振盪器
• 雙穩態振盪器(bistable mutivibrator) – 輸出準位不是 0 或 1 都會逹到穩定。Ex : 正反器．
• 無穩態振盪器(astable mutivibrator) – 具有二個輸出狀態 0 和 1，但是不會逹到穩態。Ex : 方波訊號產生器．
• 單穩態振盪器 (monstable mutivibrator) – 平常是處於穩定狀態，但是遇到觸發後就轉入不穩態，等一段時間後再回到穩定狀態。Ex : 遙控器．

• 計數器 - 用於計算出在一定時間內所接收到脈波數．

• 暫存器

定義:具有資料儲存能力的正反器。可分為 :

• 串列移位暫存器 (Serial shift register) : 一次一個位元的將資料輸入暫存器。例如 : EC SMBus Data Register / EC Tx/Rx Register  

• 並列移位暫存器 (Parallel shift register) : 一次同時將所有的資料移入暫存器。例如 : 讀取 BIOS ROM

• Memory Mapped I/O v.s Port Mapped I/O

Memory Mapped I/O 和 Port Mapped I/O 是處理器處理記憶和 I/O 的方法.

• Memory-mapped I/O : 處理器的位址並沒有特別區分記億體和 I/O，當處理器在存取I/O時，就像存取記憶體一樣，所以會用相同的指令去存取記憶體和 I/O． Ex : NS97551

• Port-mapped I/O : 處理器的位址區分記億體和 I/O(0x0000-0xFFFF)，當處理器在存取I/O時，只有 0x0000-0xFFFF 最低的位址才會對映到 I/O，所以會用不同的指令去存取記憶體和 I/O．Ex : Intel CPU