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55 年来，该逻辑系列产品凭借其抗噪声能力、轨道灵活性和无与伦比的持久性，实现了模拟和数字设计的融合。
到了 20 世纪 60 年代末，TTL 电路凭借其速度、扇出能力以及日益丰富的门电路、锁存器和计数器产品线，逐渐主导了数字逻辑电路。但它也带来了功耗高、5V 固定电压以及对模拟电路兼容性有限的缺点。RCA 公司则另有打算。
1968年，该公司推出了CD4000 COS/MOS系列，这是首个完全采用CMOS工艺制造的商用逻辑系列。CD4000的供电电压范围为3V至18V，输入阈值与VDD相关，静态功耗在纳安级，代表了一种新型逻辑电路，其特点是寿命长、功耗低和抗噪声能力强。
这是RCA公司早期生产的CD4029A计数器集成电路，采用16引脚陶瓷双列直插式封装。
半个多世纪过去了，CD4000 系列器件仍在生产，并继续解决各种问题。虽然它们在开关速度上永远无法与同类产品匹敌，但在灵活性、稳健性和与实际模拟信号的兼容性方面，它们仍然无可匹敌。它们的寿命甚至超过了创造它们的公司以及它们诞生的工艺节点。
从COS/MOS到通用逻辑
CD4000系列芯片最初以RCA的“COS/MOS”技术为标志推出，但当时并未受到太多质疑。CMOS逻辑技术虽然在理论上为人所知，但商业化应用却寥寥无几。RCA决定推出基于这种低功耗技术的整个逻辑系列芯片，无疑是一场豪赌。然而，事实证明，他们的选择是正确的。
早期的 CD4000 系列器件虽然存在数百纳秒的较长传播延迟，但它们为设计人员提供了 TTL 电路无法比拟的优势:极低的静态功耗、极高的噪声容限以及无需固定 5V 电源轨。随后推出的带缓冲电路的“B 系列”器件进一步提高了电压阈值和输出驱动能力，同时保持了与 CMOS 电路的完全兼容性。
这些器件支持 3V 至 15V 或 18V 的供电电压，具体取决于型号。逻辑阈值与 VDD 同步变化，这意味着输入高/低电平裕量与供电电压成正比。这使得 CD4000 器件在噪声环境、电池供电设备以及稳压性能较差的系统中具有关键优势。
设计模数混合电路的工程师很快就将 CD4000 逻辑电路作为首选。该系列器件可在 ±15V 电压下稳定运行，易于与运算放大器连接，并且不受 TTL 电路难以处理的缓慢或倾斜逻辑转换的影响。CD4000 系列产品线丰富，随着时间的推移不断扩展，涵盖了标准逻辑门、触发器、计数器、模拟开关、锁相环和多路复用器等。其中许多器件，例如 CD4046 锁相环和 CD4066 模拟开关，至今仍是设计中的经典之作，并由多家厂商继续销售。
天生与模拟兼容
CD4000逻辑电路之所以深受模拟工程师的喜爱，不仅在于它能承受各种滥用情况，更在于某些部件的设计本身就鼓励这种滥用。这一点在施密特触发器和无缓冲电路子系列中体现得尤为明显。
以CD40106B为例，这是一款六反相施密特触发器。其明确的输入迟滞特性使其能够接受缓慢、噪声较大或经过RC滤波的信号边沿而不会产生振荡——这对于消除机械触点抖动或构建波形振荡器来说是一大优势。其阈值随VDD变化，因此在高电源电压下迟滞特性自然增大，从而提高了在工业环境中的可靠性。
一块安装在无焊面包板上的 CD4007A
还有一款名为 CD4069UB 的无缓冲反相器。与带缓冲的同类产品不同，这款芯片直接暴露了内部反相器级。这使得它成为一个可以在线性区工作的逻辑门，可以作为简易但实用的电压放大器。RCA 的应用笔记和无数业余爱好者的电路都展示了如何将这些逻辑门偏置成小信号放大器、波形整形器和振荡器。设计人员利用其高输入阻抗和 VDD 缩放的传递函数，仅使用逻辑芯片和少量无源器件即可创建增益级、压控振荡器 和单稳态振荡器。
其中最著名的当属CD4007，它由三个CMOS微对组成，可以配置成放大器、开关、电流源或逻辑门。它是一款DIY模拟/数字电路的得力助手，常用于课堂教学，演示模拟和数字电路的知识。Analog Devices公司至今仍维护着一个围绕它的实验模块，用于教授电路设计基础知识。
跨领域持久性
很多逻辑系列产品都已过时，但 CD4000 却一直生产至今，因为它的特性与现实世界的工程限制非常契合。
考虑电源。CD4000 系列器件可以使用非稳压的 12V 电源轨、±15V 模拟电源或电池组供电。在控制回路或信号链中使用逻辑门时，无需稳压器或电平转换器。
此外，还有噪声问题。在汽车和工业环境中，由于边沿速率较慢且线路长度较长，CD4000 的输入阈值和轨到轨摆幅使其比 74HC 或 LVC 等新型逻辑系列更具容错性。它对“模拟信号”逻辑输入的免疫力是一种优势，而非劣势。
最令人印象深刻的是，耐辐射的 RCA COS/MOS 器件已通过认证，并被用于 20 世纪 70 年代末的深空任务，包括旅行者计划，以实现定时和控制逻辑。
如今，德州仪器、安森美半导体、Nexperia 等公司仍在销售 CD4000 系列器件。虽然数据手册可能有所更新，但引脚排列并未改变。从事低功耗仪器、模拟前端或加固型系统开发的工程师们仍然会放心地将它们应用到电路图中，因为他们知道这些器件能够正常工作。
今天是《半导体行业观察》为您分享的第4233期内容，欢迎关注。
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