55年常青跨界王者：CD4000系列-模擬與數(shù)字設(shè)計(jì)的永恒橋梁

55 年來，這一系列邏輯芯片憑借卓越的抗干擾性、靈活的電源電壓適配能力和無可比擬的持久生命力，成功搭建起模擬與數(shù)字設(shè)計(jì)的溝通橋梁。

20 世紀(jì) 60 年代末，晶體管 - 晶體管邏輯（TTL）逐漸主導(dǎo)數(shù)字邏輯領(lǐng)域 —— 它兼具速度優(yōu)勢、高扇出能力，且門電路、鎖存器、計(jì)數(shù)器等產(chǎn)品型號不斷豐富。但 TTL 的短板也十分明顯：功耗較高、僅支持固定 5V 電源電壓，且對模擬信號環(huán)境的兼容性有限。而 RCA 公司彼時(shí)已醞釀著一場技術(shù)革新。

1968 年，RCA 正式推出 CD4000 COS/MOS 系列芯片，這是全球首個(gè)完全基于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝打造的商用邏輯系列。其電源電壓范圍覆蓋 3V 至 18V，輸入閾值與電源電壓（VDD）聯(lián)動(dòng)，靜態(tài)功耗僅為納安級 ——CD4000 系列就此開創(chuàng)了一種全新的邏輯芯片品類，專為長壽命、低功耗和高抗干擾性場景優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖為 RCA 制造的早期 CD4029A 計(jì)數(shù)器芯片，采用 16 引腳陶瓷雙列直插封裝。圖片由 Teravolt 提供，基于維基共享資源 CC BY 3.0 協(xié)議使用。

半個(gè)多世紀(jì)后的今天，CD4000 系列仍在量產(chǎn)，持續(xù)解決各類工程難題。盡管在開關(guān)速度上無法與現(xiàn)代邏輯芯片抗衡，但在電源靈活性、環(huán)境魯棒性以及與現(xiàn)實(shí)世界中模擬相關(guān)信號的兼容性方面，它依舊無可替代。這一系列不僅超越了其誕生公司的生命周期，更突破了原始制造工藝節(jié)點(diǎn)的局限，始終活躍在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域。

COS/MOS 到通用邏輯：一場改變行業(yè)的技術(shù)賭注

CD4000 系列最初以 RCA 的 “COS/MOS”（互補(bǔ)對稱 MOS）技術(shù)為核心推出，上市初期曾面臨行業(yè)質(zhì)疑 —— 當(dāng)時(shí) CMOS 邏輯雖在理論上已被證實(shí)可行，但商業(yè)化應(yīng)用極為罕見。RCA 毅然決定以低功耗 CMOS 技術(shù)為基礎(chǔ)，推出完整的邏輯芯片系列，這在當(dāng)時(shí)無疑是一場大膽的技術(shù)賭注。而歷史最終證明，這場賭注大獲成功。

早期 CD4000 芯片的傳輸延遲高達(dá)數(shù)百納秒，但它為設(shè)計(jì)師帶來了 TTL 無法企及的核心優(yōu)勢：近乎可以忽略的靜態(tài)功耗、超大噪聲容限，以及擺脫固定 5V 電源的限制。隨后推出的緩沖型 “B 系列” 進(jìn)一步優(yōu)化了電壓閾值，提升了輸出驅(qū)動(dòng)能力，同時(shí)保持了與 CMOS 技術(shù)的完全兼容。

根據(jù)具體型號不同，CD4000 系列支持 3V 至 15V 或 18V 的電源電壓，邏輯閾值隨 VDD 同步變化 —— 這意味著輸入高低電平的容限會(huì)隨電源電壓成比例調(diào)整。這一特性使其在噪聲干擾嚴(yán)重的環(huán)境、電池供電設(shè)備以及電壓穩(wěn)定性較差的系統(tǒng)中，具備了無可比擬的競爭優(yōu)勢。

設(shè)計(jì)模擬 - 數(shù)字混合系統(tǒng)的工程師迅速將 CD4000 邏輯芯片列為首選：它可在 ±15V 電壓下穩(wěn)定工作，能與運(yùn)算放大器輕松對接，且對那些會(huì)讓 TTL 芯片 “困惑” 的慢速或緩變邏輯信號免疫。CD4000 系列的產(chǎn)品陣容十分豐富，且不斷擴(kuò)充，涵蓋標(biāo)準(zhǔn)門電路、觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器、模擬開關(guān)、鎖相環(huán)和多路選擇器等。其中許多型號至今仍是設(shè)計(jì)必備，例如 CD4046 鎖相環(huán)（PLL）和 CD4066 模擬開關(guān)，目前仍有多家廠商在持續(xù)供應(yīng)。

天生適配模擬：不止于“耐受”，更在于 “兼容”

CD4000 邏輯芯片之所以深受模擬工程師青睞，不僅因?yàn)樗苣褪軓?fù)雜的工作環(huán)境，更因?yàn)椴糠中吞柕脑O(shè)計(jì)初衷就是為了適配模擬場景 —— 施密特觸發(fā)器和無緩沖器子系列便是最典型的例證。

以 CD40106B 六反相器施密特觸發(fā)器為例，其定義明確的輸入滯回特性使其能夠接收慢速、帶噪聲或經(jīng)過 RC 濾波的信號邊緣，且不會(huì)產(chǎn)生振蕩 —— 這一特性為機(jī)械觸點(diǎn)去抖或波形振蕩器設(shè)計(jì)提供了極大便利。其閾值電壓隨 VDD 同步變化，因此在較高電源電壓下，滯回特性會(huì)自然增強(qiáng)，進(jìn)一步提升了在工業(yè)環(huán)境中的抗干擾能力。

圖為搭建在免焊面包板上的 CD4007A 芯片。圖片由 Skydivingdutch 提供，基于維基共享資源 CC BY-SA 3.0 協(xié)議使用。

再看無緩沖器反相器 CD4069UB：與緩沖型版本不同，它直接暴露了內(nèi)部反相器級。這一設(shè)計(jì)使其不僅能作為邏輯門工作，還可運(yùn)行在線性區(qū)域，充當(dāng)簡易但實(shí)用的電壓放大器。RCA 官方應(yīng)用筆記及無數(shù)愛好者電路設(shè)計(jì)都展示了如何通過偏置這些邏輯門，將其改造為小信號放大器、波形整形器和振蕩器。設(shè)計(jì)師們利用其高輸入阻抗和隨 VDD 變化的傳輸函數(shù)，僅需邏輯芯片和少量無源元件，就能構(gòu)建增益級、壓控振蕩器（VCO）和單穩(wěn)態(tài)電路。

其中最著名的當(dāng)屬 CD4007 芯片 —— 它包含三組 CMOS 晶體管對，可靈活配置為放大器、開關(guān)、電流源或邏輯門，是模擬 / 數(shù)字領(lǐng)域的 “DIY 多面手”，常被用于課堂教學(xué)，同時(shí)演示模擬與數(shù)字電路原理。如今，ADI（亞德諾半導(dǎo)體）仍基于該芯片開發(fā)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，用于教授電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識。

跨領(lǐng)域的耐用性：穿越半個(gè)世紀(jì)的工程適配

電子行業(yè)中許多邏輯系列如過眼云煙，但 CD4000 系列之所以能持續(xù)量產(chǎn)，核心原因在于其特性與現(xiàn)實(shí)工程約束高度契合。

在電源適配方面，CD4000 芯片可直接使用未穩(wěn)壓的 12V 電源、±15V 模擬電源或電池組供電，無需額外配置穩(wěn)壓器或電平轉(zhuǎn)換器，即可在控制回路或信號鏈中使用邏輯門 —— 這極大簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

在抗干擾性能上，在汽車和工業(yè)環(huán)境中，信號邊沿速率較慢、導(dǎo)線長度較長，而 CD4000 系列的輸入閾值特性和軌到軌輸出能力，使其比 74HC 或 LVC 等新型邏輯系列更具容錯(cuò)性。它對 “類模擬” 邏輯輸入的免疫力，不僅不是短板，反而成為了核心優(yōu)勢。

更令人驚嘆的是，基于 CD4000 系列核心技術(shù)的 RCA 抗輻射 COS/MOS 器件，在 20 世紀(jì) 70 年代末已通過太空任務(wù)認(rèn)證，被應(yīng)用于包括旅行者號探測器在內(nèi)的深空探測項(xiàng)目中，承擔(dān)時(shí)序控制和邏輯運(yùn)算任務(wù)。

如今，德州儀器（TI）、安森美（Onsemi）、安世半導(dǎo)體（Nexperia）等多家廠商仍在供應(yīng) CD4000 系列芯片。盡管數(shù)據(jù)手冊不斷更新，但芯片的引腳定義從未改變。對于設(shè)計(jì)低功耗儀器、模擬前端或抗惡劣環(huán)境系統(tǒng)的工程師而言，將 CD4000 芯片納入設(shè)計(jì)方案仍是穩(wěn)妥之選 —— 他們深知，這些歷經(jīng)半個(gè)世紀(jì)考驗(yàn)的芯片，總能穩(wěn)定發(fā)揮作用。

原文

https://www.allaboutcircuits.com/news/rca-cd4000-the-cmos-logic-that-wouldnt-die

AMD 技術(shù)峰會(huì)邀請報(bào)名：FPGA/SoC+x86嵌入式