อิเล็กทรอนิกส์ดิจิทัล

สัญญาณดิจิทัลมีรูปคลื่นที่แยกแยะได้สองรูปขึ้นไป ในตัวอย่างนี้คือแรงดันสูงและแรงดันต่ำ ซึ่งแต่ละรูปคลื่นสามารถแปลงเป็นตัวเลขได้

ตัวควบคุมดิจิทัลอุตสาหกรรม

อิเล็กทรอนิกส์ดิจิทัลเป็นสาขาหนึ่งของอิเล็กทรอนิกส์ที่เกี่ยวข้องกับการศึกษาเกี่ยวกับสัญญาณดิจิทัลและการออกแบบอุปกรณ์ที่ใช้หรือสร้างสัญญาณเหล่านั้น โดยจะกล่าวถึงความสัมพันธ์ระหว่างอินพุตและเอาต์พุตแบบไบนารี โดยการส่งสัญญาณไฟฟ้าผ่านเก ตตรรกะตัวต้านทาน ตัว เก็บประจุ ตัวขยาย สัญญาณ และส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ อื่นๆ สาขาอิเล็กทรอนิกส์ดิจิทัลนั้นแตกต่างจากอิเล็กทรอนิกส์อนาล็อกซึ่งทำงานกับสัญญาณอนาล็อก เป็นหลัก (สัญญาณที่มีระดับความเข้มแตกต่างกัน ต่างจากสัญญาณไบนารีแบบเปิด/ปิดสองสถานะ) แม้จะมีชื่อว่าอิเล็กทรอนิกส์ดิจิทัล แต่การออกแบบอิเล็กทรอนิกส์ดิจิทัลก็ยังรวมถึงข้อควรพิจารณาที่สำคัญของการออกแบบอนาล็อกด้วย

ชุดเกตตรรกะ ขนาดใหญ่ ที่ใช้แทนแนวคิดที่ซับซ้อนกว่า มักจะถูกบรรจุลงในวงจรรวมอุปกรณ์ที่ซับซ้อนอาจมีการแสดงฟังก์ชันตรรกะบูลีนในรูป แบบ อิเล็กทรอนิกส์ ที่เรียบง่าย ^{[ 1 ]}

ระบบเลขฐานสองได้รับการปรับปรุงโดยGottfried Wilhelm Leibniz (ตีพิมพ์ในปี 1705) และเขายังได้พิสูจน์ว่าการใช้ระบบเลขฐานสองทำให้สามารถรวมหลักการทางเลขคณิตและตรรกะเข้าด้วยกันได้ ตรรกะดิจิทัลอย่างที่เราทราบกันในปัจจุบันเป็นสิ่งประดิษฐ์ของGeorge Booleในช่วงกลางศตวรรษที่ 19 ในจดหมายปี 1886 Charles Sanders Peirceได้อธิบายวิธีการดำเนินการทางตรรกะโดยใช้วงจรการสลับไฟฟ้า^{[ 2 ]}ในที่สุดหลอดสุญญากาศก็เข้ามาแทนที่รีเลย์สำหรับการดำเนินการทางตรรกะการดัดแปลงวาล์ว Fleming ของ Lee De Forestในปี 1907 สามารถใช้เป็นเกต ANDได้Ludwig Wittgenstein ได้นำเสนอ ตารางความจริง 16 แถวในข้อเสนอ 5.101 ของTractatus Logico-Philosophicus (1921) Walther Botheผู้ประดิษฐ์วงจรความบังเอิญ ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1954 จากการสร้างเกต AND อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ตัวแรกในปี 1924

คอมพิวเตอร์อนาล็อกเชิงกลเริ่มปรากฏขึ้นในศตวรรษที่ 1 และต่อมาได้ถูกนำมาใช้ในยุคกลางสำหรับการคำนวณทางดาราศาสตร์ ในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 2คอมพิวเตอร์อนาล็อกเชิงกลถูกนำมาใช้สำหรับการใช้งานทางทหารเฉพาะทาง เช่น การคำนวณการเล็งตอร์ปิโด ในช่วงเวลานี้ คอมพิวเตอร์ ดิจิทัล อิเล็กทรอนิกส์เครื่องแรก ได้รับการพัฒนาขึ้น โดยคำว่าดิจิทัลถูกเสนอโดยGeorge Stibitz ในปี 1942เดิมทีคอมพิวเตอร์เหล่านี้มีขนาดเท่ากับห้องขนาดใหญ่ และใช้พลังงานมากเท่ากับพีซี สมัยใหม่หลายร้อย เครื่อง^{[ 3 ]}

Claude Shannonได้แสดงให้เห็นว่าการประยุกต์ใช้พีชคณิตบูลีนทางไฟฟ้าสามารถสร้างความสัมพันธ์เชิงตัวเลขเชิงตรรกะใดๆ ก็ได้ ซึ่งในที่สุดก็วางรากฐานของการคำนวณดิจิทัลและวงจรดิจิทัลในวิทยานิพนธ์ปริญญาโท ของเขา ในปี 1937 ซึ่งถือได้ว่าเป็นวิทยานิพนธ์ปริญญาโทที่สำคัญที่สุดเท่าที่เคยเขียนมา และได้รับรางวัล Alfred Noble Prize ในปี 1939 ^{[ 4 ] [ 5 ]}

Z3 เป็นคอมพิวเตอร์อิเล็กโทรเมคานิกส์ที่ออกแบบโดยKonrad Zuseเสร็จสมบูรณ์ในปี พ.ศ. 2484 เป็นคอมพิวเตอร์ดิจิทัลอัตโนมัติเต็มรูปแบบเครื่อง แรกของโลก ที่สามารถตั้งโปรแกรมได้^{[ 6 ]}การทำงานของมันได้รับการอำนวยความสะดวกโดยการประดิษฐ์หลอดสุญญากาศในปี พ.ศ. 2447 โดยJohn Ambrose Fleming

ในขณะเดียวกันกับที่การคำนวณแบบดิจิทัลเข้ามาแทนที่แบบอนาล็อกองค์ประกอบวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ล้วนๆ ก็เข้ามาแทนที่องค์ประกอบทางกลและอิเล็กโทรเมคานิกส์ในไม่ช้า จอห์น บาร์ดีนและวอลเตอร์ แบรตเทนประดิษฐ์ ทรานซิสเตอร์ แบบจุดสัมผัสที่เบลล์ แล็บส์ใน ปี 1947 ตามมาด้วยวิลเลียม ช็อกลีย์ที่ประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์จังก์ชันที่เบลล์แล็บส์ในปี 1948 ^{[ 7 ] [ 8 ]}

ที่มหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ทีมงานภายใต้การนำของทอม คิลเบิร์นได้ออกแบบและสร้างเครื่องจักรโดยใช้ทรานซิสเตอร์ ที่พัฒนาขึ้นใหม่ แทนหลอดสุญญากาศ^{[ 9 ]} " คอมพิวเตอร์แบบทรานซิสเตอร์ " ของพวกเขา ซึ่งเป็นเครื่องแรกของโลก สามารถใช้งานได้ในปี 1953และรุ่นที่สองก็เสร็จสมบูรณ์ที่นั่นในเดือนเมษายน 1955 ตั้งแต่ปี 1955 เป็นต้นไป ทรานซิสเตอร์ได้เข้ามาแทนที่หลอดสุญญากาศในการออกแบบคอมพิวเตอร์ ทำให้เกิดคอมพิวเตอร์ "รุ่นที่สอง" ขึ้น เมื่อเทียบกับหลอดสุญญากาศ ทรานซิสเตอร์มีขนาดเล็กกว่า เชื่อถือได้มากกว่า มีอายุการใช้งานไม่จำกัด และต้องการพลังงานน้อยกว่าหลอดสุญญากาศ จึงปล่อยความร้อนน้อยกว่า และช่วยให้สามารถรวมวงจรได้หนาแน่นมากขึ้น มากถึงหลายหมื่นวงจรในพื้นที่ที่ค่อนข้างกะทัดรัด

ในปี พ.ศ. 2498 คาร์ล ฟรอชและลินคอล์น เดอริค ค้นพบผลกระทบของการทำให้พื้นผิวซิลิคอนไดออกไซด์เฉื่อย^{[ 10 ]}ในปี พ.ศ. 2490 ฟรอชและเดอริคได้ใช้การมาสก์และการตกตะกอนล่วงหน้าเพื่อผลิตทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าซิลิคอนไดออกไซด์ ซึ่งเป็นทรานซิสเตอร์แบบระนาบตัวแรกที่เดรนและซอร์สอยู่ติดกันที่พื้นผิวเดียวกัน^{[ 11 ]}ที่เบลล์แล็บส์ ความสำคัญของเทคนิคและทรานซิสเตอร์ของฟรอชและเดอริคได้รับการตระหนักในทันที ผลงานของพวกเขาเผยแพร่ไปทั่วเบลล์แล็บส์ในรูปแบบของบันทึก BTL ก่อนที่จะได้รับการตีพิมพ์ในปี พ.ศ. 2490 ที่ช็อกลีย์เซมิคอนดักเตอร์ช็อกลีย์ได้เผยแพร่บทความฉบับร่างของพวกเขาในเดือนธันวาคม พ.ศ. 2499 ให้กับเจ้าหน้าที่อาวุโสทั้งหมดของเขา รวมถึงฌอง โฮเออร์นี [ ^{12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] ซึ่ง}ต่อมาได้คิดค้นกระบวนการแบบระนาบ ในปี พ.ศ. 2492 ขณะอยู่ที่แฟร์ไชลด์เซมิคอนดักเตอร์^{[ 16 ] [ 17 ]}ที่ Bell Labs, JR Ligenza และ WG Spitzer ศึกษาถึงกลไกของออกไซด์ที่เติบโตด้วยความร้อน สร้าง Si/ SiO2 _stack คุณภาพสูง และเผยแพร่ผลลัพธ์ของพวกเขาในปี 1960 ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]}จากการวิจัยนี้ที่ Bell Labs, Mohamed AtallaและDawon Kahngได้เสนอทรานซิสเตอร์ MOS ซิลิคอนในปี 1959 ^{[ 21 ]}และได้สาธิตอุปกรณ์ MOS ที่ใช้งานได้จริงร่วมกับทีมงาน Bell Labs ของพวกเขาในปี 1960 ^{[ 22 ] [ 23 ]}ทีมงานประกอบด้วย EE LaBate และ EI Povilonis ผู้สร้างอุปกรณ์; MO Thurston, LA D'Asaro และ JR Ligenza ผู้พัฒนากระบวนการแพร่กระจาย และ HK Gummel และ R. Lindner ผู้ทำการวิเคราะห์คุณสมบัติของอุปกรณ์^{[ 24 ] [ 25 ]}

ขณะทำงานที่Texas Instrumentsในเดือนกรกฎาคม พ.ศ. 2491 Jack Kilbyได้บันทึกแนวคิดเบื้องต้นเกี่ยวกับวงจรรวม (IC) จากนั้นได้สาธิตวงจรรวมที่ใช้งานได้จริงเป็นครั้งแรกเมื่อวันที่ 12 กันยายน พ.ศ. 2491 ^{[ 26 ]}ชิปของ Kilby ทำจากเจอร์มาเนียมปีต่อมาRobert Noyceที่Fairchild Semiconductorได้คิดค้น วงจรรวม ซิลิคอนพื้นฐานของวงจรรวมซิลิคอนของ Noyce คือกระบวนการระนาบ ของ Hoerni

ข้อดีของ MOSFET ได้แก่ ความสามารถ ในการปรับขนาดสูง [ ^{27 ]}ราคาไม่แพง^{[ 28 ]}การใช้พลังงานต่ำ และความหนาแน่นของทรานซิสเตอร์สูง^{[ 29 ]} ความเร็ว ในการสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์แบบเปิด-ปิดที่รวดเร็ว^ยังทำให้เหมาะสำหรับการสร้างพัลส์เทรน^{[ 30 ]}ซึ่งเป็นพื้นฐานสำหรับสัญญาณดิจิทัล อิเล็กทรอนิกส์ [ ^{31 ] [ 32 ]}ตรงกันข้ามกับ BJT ซึ่งสร้างสัญญาณอนาล็อกที่คล้ายกับคลื่นไซน์ ได้ช้า กว่า^{[ 30 ]}เมื่อรวมกับวงจรรวมขนาดใหญ่ MOS (LSI ⁾ปัจจัยเหล่านี้ทำให้ MOSFET เป็นอุปกรณ์สวิตช์ที่สำคัญสำหรับวงจรดิจิทัล [ ^{33 ] MOSFET}ได้ปฏิวัติอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ [ ^{34 ] [ 35 ]}และเป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่พบ^{ได้ ทั่วไปมากที่สุด [ 36 ] [ 37 ]}

ในยุคแรกเริ่มของวงจรรวมแต่ละชิปถูกจำกัดไว้ที่ทรานซิสเตอร์เพียงไม่กี่ตัว และระดับการรวมวงจรที่ต่ำหมายความว่ากระบวนการออกแบบค่อนข้างง่าย ผลผลิตจากการผลิตก็ค่อนข้างต่ำเมื่อเทียบกับมาตรฐานในปัจจุบัน การนำทรานซิสเตอร์ MOSFET มาใช้อย่างแพร่หลายในช่วงต้นทศวรรษ 1970 นำไปสู่ ชิป การรวมวงจรขนาดใหญ่ (LSI) ตัวแรกที่มีทรานซิสเตอร์มากกว่า 10,000 ตัวบนชิปเดียว^{[ 38 ]}หลังจากการนำCMOSซึ่งเป็นตรรกะ MOSFET ชนิดหนึ่งมาใช้อย่างแพร่หลายในช่วงทศวรรษ 1980 ทำให้สามารถวาง MOSFET ได้หลายล้านและหลายพันล้านตัวบนชิปเดียวเมื่อเทคโนโลยีพัฒนาขึ้น^{[ 39 ]}และการออกแบบที่ดีต้องอาศัยการวางแผนอย่างละเอียด ทำให้เกิดวิธีการออกแบบใหม่ๆจำนวนทรานซิสเตอร์ของอุปกรณ์และการผลิตโดยรวมเพิ่มขึ้นสู่ระดับที่ไม่เคยมีมาก่อน ปริมาณทรานซิสเตอร์ทั้งหมดที่ผลิตจนถึงปี 2018 คาดว่าจะอยู่ที่1.3 × 10 ²² (13 เซ็กซ์ทิลเลียน ) ^{[ 40 ]} 

การปฏิวัติไร้สาย (การนำเสนอและการแพร่กระจายของเครือข่ายไร้สาย ) เริ่มขึ้นในช่วงทศวรรษ 1990 และเกิดขึ้นได้จากการนำเครื่องขยายกำลัง RF ที่ใช้ MOSFET ( power MOSFETและLDMOS ) และวงจร RF ( RF CMOS ) มาใช้อย่างแพร่หลาย ^{[ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]}เครือข่ายไร้สายทำให้สามารถส่งสัญญาณดิจิทัลสาธารณะได้โดยไม่ต้องใช้สายเคเบิล ส่งผลให้เกิดโทรทัศน์ดิจิทัลวิทยุผ่านดาวเทียมและวิทยุดิจิทัล GPS อินเทอร์เน็ตไร้สายและโทรศัพท์มือถือในช่วงทศวรรษ 1990-2000

ข้อดีของวงจรดิจิทัลเมื่อเปรียบเทียบกับวงจรอนาล็อกคือ สัญญาณที่แสดงในรูปแบบดิจิทัลสามารถส่งได้โดยไม่เกิดการลดทอนคุณภาพเนื่องจาก สัญญาณรบกวน ^{[ 44 ]}ตัวอย่างเช่น สัญญาณเสียงต่อเนื่องที่ส่งเป็นลำดับของ 1 และ 0 สามารถสร้างใหม่ได้โดยไม่มีข้อผิดพลาด หากสัญญาณรบกวนที่รับมาในระหว่างการส่งไม่มากพอที่จะป้องกันการระบุ 1 และ 0 ได้

ในระบบดิจิทัล การแสดงสัญญาณที่แม่นยำยิ่งขึ้นสามารถทำได้โดยการใช้ตัวเลขไบนารีจำนวนมากขึ้นในการแสดงสัญญาณนั้น แม้ว่าจะต้องใช้วงจรดิจิทัลมากขึ้นในการประมวลผลสัญญาณ แต่แต่ละหลักจะถูกจัดการโดยฮาร์ดแวร์ชนิดเดียวกัน ทำให้ ระบบ สามารถขยายขนาดได้ ง่าย ในระบบอนาล็อก ความละเอียดที่เพิ่มขึ้นต้องอาศัยการปรับปรุงพื้นฐานในด้านความเป็นเชิงเส้นและคุณลักษณะด้านสัญญาณรบกวนของแต่ละขั้นตอนในวงจรสัญญาณ

ด้วยระบบดิจิทัลที่ควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์ สามารถเพิ่มฟังก์ชันใหม่ได้โดยการแก้ไขซอฟต์แวร์โดยไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนแปลงฮาร์ดแวร์ บ่อยครั้งที่สามารถทำได้นอกโรงงานโดยการอัปเดตซอฟต์แวร์ของผลิตภัณฑ์ ด้วยวิธีนี้ ข้อผิดพลาดในการออกแบบผลิตภัณฑ์สามารถแก้ไขได้แม้หลังจากที่ผลิตภัณฑ์อยู่ในมือลูกค้าแล้ว

การจัดเก็บข้อมูลในระบบดิจิทัลนั้นง่ายกว่าในระบบอนาล็อก ระบบดิจิทัลมีความทนทานต่อสัญญาณรบกวนสูง ทำให้สามารถจัดเก็บและเรียกใช้ข้อมูลได้โดยไม่เกิดความเสียหาย ในขณะที่ระบบอนาล็อก สัญญาณรบกวนจากความเสื่อมสภาพและการสึกหรอจะทำให้ข้อมูลที่จัดเก็บไว้เสียหาย แต่ในระบบดิจิทัล ตราบใดที่สัญญาณรบกวนโดยรวมต่ำกว่าระดับที่กำหนด ข้อมูลก็สามารถกู้คืนได้อย่างสมบูรณ์ แม้ว่าจะมีสัญญาณรบกวนสูงกว่านั้น การใช้ระบบสำรองข้อมูลก็ช่วยให้สามารถกู้คืนข้อมูลต้นฉบับได้ โดยมีเงื่อนไขว่าต้องไม่เกิดข้อผิดพลาดมากเกินไป

ในบางกรณี วงจรดิจิทัลใช้พลังงานมากกว่าวงจรอนาล็อกในการทำงานเดียวกัน ทำให้เกิดความร้อนมากขึ้น ซึ่งเพิ่มความซับซ้อนของวงจร เช่น การเพิ่มแผ่นระบายความร้อน ในระบบพกพาหรือระบบที่ใช้แบตเตอรี่ สิ่งนี้อาจจำกัดการใช้งานระบบดิจิทัลได้ ตัวอย่างเช่นโทรศัพท์มือถือ ที่ใช้แบตเตอรี่ มักใช้ภาคหน้าอนาล็อกกำลังต่ำเพื่อขยายและปรับจูนสัญญาณวิทยุจากสถานีฐาน อย่างไรก็ตาม สถานีฐานมีไฟฟ้าจากโครงข่ายและสามารถใช้ซอฟต์แวร์วิทยุที่ใช้พลังงานสูงแต่มีความยืดหยุ่นสูงได้สถานีฐานดังกล่าวสามารถตั้งโปรแกรมใหม่ได้อย่างง่ายดายเพื่อประมวลผลสัญญาณที่ใช้ในมาตรฐานโทรศัพท์มือถือใหม่

ระบบดิจิทัลที่มีประโยชน์หลายระบบจำเป็นต้องแปลงสัญญาณอนาล็อกต่อเนื่องไปเป็นสัญญาณดิจิทัลแบบไม่ต่อเนื่อง ซึ่งทำให้เกิดข้อผิดพลาดจากการควอนไทเซชันข้อผิดพลาดจากการควอนไทเซชันสามารถลดลงได้หากระบบจัดเก็บข้อมูลดิจิทัลเพียงพอที่จะแสดงสัญญาณได้อย่างแม่นยำตามที่ต้องการทฤษฎีบทการสุ่มตัวอย่างของ Nyquist–Shannonให้แนวทางที่สำคัญเกี่ยวกับปริมาณข้อมูลดิจิทัลที่จำเป็นในการแสดงสัญญาณอนาล็อกที่กำหนดได้อย่างถูกต้อง

หากข้อมูลดิจิทัลเพียงชิ้นเดียวสูญหายหรือถูกตีความผิด ในบางระบบอาจเกิดข้อผิดพลาดเพียงเล็กน้อย ในขณะที่ในระบบอื่นๆ ความหมายของข้อมูลกลุ่มใหญ่ที่เกี่ยวข้องอาจเปลี่ยนแปลงไปอย่างสิ้นเชิง ตัวอย่างเช่น ข้อผิดพลาดเพียงบิตเดียวในข้อมูลเสียงที่จัดเก็บโดยตรงในรูปแบบการเข้ารหัสพัลส์เชิงเส้น (linear pulse-code modulation) จะ ทำให้เกิดเสียงคลิกเพียงครั้งเดียวในกรณีที่แย่ที่สุด แต่เมื่อใช้การบีบอัดเสียงเพื่อประหยัดพื้นที่จัดเก็บและเวลาในการส่งข้อมูล ข้อผิดพลาดเพียงบิตเดียวอาจทำให้เกิดความเสียหายที่ใหญ่กว่ามาก

เนื่องจากปรากฏการณ์หน้าผา (cliff effect ) ทำให้ผู้ใช้ยากที่จะบอกได้ว่าระบบใดระบบหนึ่งกำลังจะล้มเหลว หรือสามารถทนต่อสัญญาณรบกวนได้อีกมากแค่ไหนก่อนที่จะล้มเหลว ความเปราะบางของระบบดิจิทัลสามารถลดลงได้โดยการออกแบบระบบดิจิทัลให้มีความทนทานตัวอย่างเช่น สามารถแทรก บิตพาริตีหรือวิธีการจัดการข้อผิดพลาดอื่นๆ เข้าไปในเส้นทางสัญญาณ วิธีการเหล่านี้ช่วยให้ระบบตรวจจับข้อผิดพลาด จากนั้นจึงแก้ไขข้อผิดพลาดหรือขอให้ส่งข้อมูลใหม่

วงจรดิจิทัลโดยทั่วไปสร้างขึ้นจากวงจรอิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กที่เรียกว่าเกตตรรกะซึ่งสามารถใช้สร้างตรรกะแบบผสมผสานและตรรกะแบบลำดับได้เกตตรรกะแต่ละตัวได้รับการออกแบบมาเพื่อทำหน้าที่ของตรรกะบูลีนเมื่อประมวลผลสัญญาณตรรกะ เกตตรรกะโดยทั่วไปสร้างขึ้นจากสวิตช์ที่ควบคุมด้วยไฟฟ้าหนึ่งตัวหรือมากกว่านั้น โดยปกติจะเป็นทรานซิสเตอร์แต่ ในอดีตก็เคยมีการใช้ หลอดสุญญากาศด้วยเช่นกัน เอาต์พุตของเกตตรรกะสามารถควบคุมหรือป้อนเข้าสู่เกตตรรกะอื่นๆ ได้อีก

วงจรดิจิทัลอีกรูปแบบหนึ่งสร้างขึ้นจากตารางค้นหา (ซึ่งหลายชนิดจำหน่ายในชื่อ " อุปกรณ์ลอจิกที่ตั้งโปรแกรมได้ " แม้ว่าจะมี PLD ประเภทอื่น ๆ อีกก็ตาม) ตารางค้นหาสามารถทำงานได้เช่นเดียวกับเครื่องจักรที่ใช้เกตลอจิก แต่สามารถตั้งโปรแกรมใหม่ได้ง่ายโดยไม่ต้องเปลี่ยนการเดินสายไฟ ซึ่งหมายความว่าผู้ออกแบบมักจะสามารถแก้ไขข้อผิดพลาดในการออกแบบได้โดยไม่ต้องเปลี่ยนการจัดเรียงสายไฟ ดังนั้น ในผลิตภัณฑ์ที่มีปริมาณการผลิตน้อย อุปกรณ์ลอจิกที่ตั้งโปรแกรมได้จึงมักเป็นทางเลือกที่นิยมมากกว่า โดยปกติแล้ววิศวกรจะออกแบบอุปกรณ์เหล่านี้โดยใช้ซอฟต์แวร์ การออกแบบอัตโนมัติทางอิเล็กทรอนิกส์

วงจรรวม (Integrated circuits)ประกอบด้วยทรานซิสเตอร์หลายตัวบนชิปซิลิคอนชิ้นเดียว และเป็นวิธีที่ประหยัดที่สุดในการสร้างวงจรลอจิกที่เชื่อมต่อกันจำนวนมาก โดยปกติแล้ว วงจรรวมจะเชื่อมต่อกันบนแผ่นวงจรพิมพ์ (Printed circuit board ) ซึ่งเป็นแผ่นที่ใช้สำหรับยึดชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์และเชื่อมต่อเข้าด้วยกันด้วยลายทองแดง

วิศวกรใช้วิธีการมากมายเพื่อลดความซ้ำซ้อนของตรรกะเพื่อลดความซับซ้อนของวงจร การลดความซับซ้อนจะช่วยลดจำนวนชิ้นส่วนและข้อผิดพลาดที่อาจเกิดขึ้น และโดยทั่วไปจึงช่วยลดต้นทุน ความซ้ำซ้อนของตรรกะสามารถกำจัดได้ด้วยเทคนิคที่เป็นที่รู้จักกันดีหลายวิธี เช่นแผนภาพการตัดสินใจแบบไบนารีพีชคณิตบูลีนแผนที่คาร์โนห์ อัลกอริทึมควิน-แมคคลัสกี้และวิธีการคำนวณแบบฮิวริสติกการดำเนินการเหล่านี้มักจะทำภายในระบบ การออกแบบโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วย

ระบบฝังตัวที่มีไมโครคอนโทรลเลอร์และตัวควบคุมลอจิกแบบโปรแกรมได้มักถูกนำมาใช้เพื่อสร้างตรรกะดิจิทัลสำหรับระบบที่ซับซ้อนซึ่งไม่ต้องการประสิทธิภาพสูงสุด ระบบเหล่านี้มักถูกตั้งโปรแกรมโดยวิศวกรซอฟต์แวร์หรือช่างไฟฟ้า โดยใช้ลอจิกแบบบันได (ladder logic )

ความสัมพันธ์ระหว่างอินพุตและเอาต์พุตของวงจรดิจิทัลสามารถแสดงได้ในรูปตารางความจริงวงจรระดับสูงที่เทียบเท่ากันจะใช้เกตตรรกะโดยแต่ละเกตจะแสดงด้วยรูปร่างที่แตกต่างกัน (มาตรฐานโดยIEEE / ANSI 91–1984) ^{[ 45 ]}การแสดงผลระดับต่ำจะใช้วงจรเทียบเท่าของสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์ (โดยปกติคือทรานซิสเตอร์ )

ระบบดิจิทัลส่วนใหญ่แบ่งออกเป็นระบบเชิงผสม (combinational system) และระบบเชิงลำดับ (sequential system) เอาต์พุตของระบบเชิงผสมขึ้นอยู่กับอินพุตปัจจุบันเท่านั้น แต่ระบบเชิงลำดับจะมีเอาต์พุตบางส่วนที่ป้อนกลับเป็นอินพุต ดังนั้นเอาต์พุตอาจขึ้นอยู่กับอินพุตในอดีตนอกเหนือจากอินพุตปัจจุบัน เพื่อสร้างลำดับการทำงาน การแสดงพฤติกรรมอย่างง่ายของระบบเหล่านี้ที่เรียกว่าเครื่องสถานะ (state machine)ช่วยให้การออกแบบและการทดสอบง่ายขึ้น

ระบบลำดับแบ่งออกเป็นสองประเภทย่อยเพิ่มเติม คือระบบลำดับแบบ "ซิงโครนัส"ซึ่งเปลี่ยนสถานะพร้อมกันทั้งหมดเมื่อสัญญาณนาฬิกาเปลี่ยนสถานะ และระบบลำดับแบบ "อะซิงโครนัส"ซึ่งกระจายการเปลี่ยนแปลงเมื่ออินพุตเปลี่ยนแปลง ระบบลำดับแบบซิงโครนัสสร้างขึ้นโดยใช้ฟลิปฟลอปที่เก็บแรงดันไฟฟ้าที่ป้อนเข้ามาเป็นบิตเฉพาะเมื่อสัญญาณนาฬิกาเปลี่ยนแปลงเท่านั้น

โดยทั่วไปแล้ว วิธีการสร้างเครื่องสถานะแบบซิงโครนัสเชิงลำดับคือการแบ่งออกเป็นส่วนของตรรกะเชิงผสมและชุดของฟลิปฟลอปที่เรียกว่ารีจิสเตอร์สถานะ รีจิสเตอร์สถานะจะแสดงสถานะเป็นเลขฐานสอง ตรรกะเชิงผสมจะสร้างการแสดงเลขฐานสองสำหรับสถานะถัดไป ในแต่ละรอบสัญญาณนาฬิกา รีจิสเตอร์สถานะจะรับสัญญาณป้อนกลับที่สร้างจากสถานะก่อนหน้าของตรรกะเชิงผสมและป้อนกลับเป็นอินพุตที่ไม่เปลี่ยนแปลงไปยังส่วนของตรรกะเชิงผสมของเครื่องสถานะ อัตราสัญญาณนาฬิกาถูกจำกัดโดยการคำนวณตรรกะที่ใช้เวลานานที่สุดในหน่วยตรรกะเชิงผสม

ตรรกะดิจิทัลส่วนใหญ่เป็นแบบซิงโครนัส เนื่องจากการสร้างและตรวจสอบการออกแบบแบบซิงโครนัสทำได้ง่ายกว่า อย่างไรก็ตาม ตรรกะแบบอะซิงโครนัสมีข้อดีตรงที่ความเร็วไม่ถูกจำกัดด้วยสัญญาณนาฬิกาใดๆ แต่จะทำงานที่ความเร็วสูงสุดของเกตตรรกะ^{[ a ]}

อย่างไรก็ตาม ระบบส่วนใหญ่จำเป็นต้องรับสัญญาณภายนอกที่ไม่ซิงโครไนซ์เข้าสู่วงจรลอจิกแบบซิงโครนัส อินเทอร์เฟซนี้เป็นแบบอะซิงโครนัสโดยเนื้อแท้และต้องได้รับการวิเคราะห์ในลักษณะนั้น ตัวอย่างของวงจรอะซิงโครนัสที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย ได้แก่ ฟลิปฟลอปซิงโครไนเซอร์ สวิตช์ดีบาวน์เซอร์และอาร์บิเตอร์

การออกแบบวงจรลอจิกแบบอะซิงโครนัสอาจทำได้ยาก เนื่องจากต้องพิจารณาสถานะที่เป็นไปได้ทั้งหมด ในทุกช่วงเวลาที่เป็นไปได้ วิธีการทั่วไปคือการสร้างตารางเวลาต่ำสุดและสูงสุดที่แต่ละสถานะดังกล่าวสามารถคงอยู่ได้ จากนั้นปรับวงจรเพื่อลดจำนวนสถานะดังกล่าวให้เหลือน้อยที่สุด ผู้ออกแบบต้องบังคับให้วงจรหยุดรอเป็นระยะจนกว่าทุกส่วนจะเข้าสู่สถานะที่เข้ากันได้ (เรียกว่า "การซิงโครไนซ์ตัวเอง") หากไม่ออกแบบอย่างระมัดระวัง อาจเผลอสร้างวงจรลอจิกแบบอะซิงโครนัสที่ไม่เสถียรได้ ซึ่งหมายความว่าอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จริงจะมีผลลัพธ์ที่คาดเดาไม่ได้เนื่องจากความล่าช้าสะสมที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในค่าของส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์

ระบบดิจิทัลจำนวนมากเป็นเครื่องจักรแบบไหลเวียนข้อมูลโดยทั่วไปแล้วจะออกแบบโดยใช้ตรรกะการถ่ายโอนรีจิสเตอร์แบบ ซิงโครนัส และเขียนด้วยภาษาอธิบายฮาร์ดแวร์เช่นVHDLหรือVerilog

ในตรรกะการถ่ายโอนรีจิสเตอร์ เลขฐานสองจะถูกเก็บไว้ในกลุ่มของฟลิปฟลอปที่เรียกว่ารีจิสเตอร์เครื่องสถานะลำดับจะควบคุมว่าเมื่อใดที่รีจิสเตอร์แต่ละตัวจะรับข้อมูลใหม่จากอินพุต เอาต์พุตของแต่ละรีจิสเตอร์คือกลุ่มของสายไฟที่เรียกว่าบัสซึ่งจะนำตัวเลขนั้นไปยังการคำนวณอื่นๆ การคำนวณเป็นเพียงส่วนหนึ่งของตรรกะเชิงผสม การคำนวณแต่ละครั้งยังมีบัสเอาต์พุต และอาจเชื่อมต่อกับอินพุตของรีจิสเตอร์หลายตัว บางครั้งรีจิสเตอร์จะมีมัลติเพล็กเซอร์ที่อินพุตเพื่อให้สามารถเก็บตัวเลขจากบัสใดบัสหนึ่งจากหลายๆ บัสได้^{[ b ]}

ระบบถ่ายโอนรีจิสเตอร์แบบอะซิงโครนัส (เช่น คอมพิวเตอร์) มีวิธีแก้ปัญหาทั่วไป ในช่วงทศวรรษ 1980 นักวิจัยบางกลุ่มค้นพบว่าเครื่องจักรถ่ายโอนรีจิสเตอร์แบบซิงโครนัสเกือบทั้งหมดสามารถแปลงเป็นแบบอะซิงโครนัสได้โดยใช้ตรรกะการซิงโครไนซ์แบบเข้าก่อนออกก่อน (FIFO) ในแผนการนี้ เครื่องจักรดิจิทัลจะถูกกำหนดลักษณะเป็นชุดของการไหลของข้อมูล ในแต่ละขั้นตอนของการไหล วงจรซิงโครไนซ์จะตรวจสอบว่าเอาต์พุตของขั้นตอนนั้นถูกต้องเมื่อใด และสั่งการขั้นตอนถัดไปว่าจะใช้เอาต์พุตเหล่านั้นเมื่อใด

เครื่องคำนวณลอจิกแบบถ่ายโอนรีจิสเตอร์ที่ใช้งานได้ทั่วไปมากที่สุดคือคอมพิวเตอร์โดยพื้นฐานแล้วมันคือลูกคิดไบนารีอัตโนมัติหน่วยควบคุมของคอมพิวเตอร์มักถูกออกแบบเป็นไมโครโปรแกรมที่ทำงานโดยไมโครซีเควนเซอร์ไมโครโปรแกรมคล้ายกับม้วนกระดาษเปียโนอัตโนมัติ แต่ละรายการในตารางของไมโครโปรแกรมจะสั่งการสถานะของทุกบิตที่ควบคุมคอมพิวเตอร์ จากนั้นซีเควนเซอร์จะนับ และค่าที่นับได้จะระบุตำแหน่งหน่วยความจำหรือเครื่องคำนวณลอจิกแบบผสมที่บรรจุไมโครโปรแกรม บิตจากไมโครโปรแกรมจะควบคุมหน่วยคำนวณลอจิกหน่วยความจำและส่วนอื่นๆ ของคอมพิวเตอร์ รวมถึงไมโครซีเควนเซอร์เองด้วย ด้วยวิธีนี้ งานที่ซับซ้อนในการออกแบบส่วนควบคุมของคอมพิวเตอร์จึงลดลงเหลือเพียงงานที่ง่ายกว่าคือการเขียนโปรแกรมให้กับเครื่องคำนวณลอจิกที่ง่ายกว่าหลายๆ เครื่อง

คอมพิวเตอร์เกือบทั้งหมดเป็นแบบซิงโครนัส อย่างไรก็ตามคอมพิวเตอร์แบบอะซิงโครนัสก็ถูกสร้างขึ้นเช่นกัน ตัวอย่างหนึ่งคือแกนASPIDA DLX ^{[ 47 ]} อีกตัวอย่างหนึ่งคือที่ ARM Holdingsนำเสนอ[ ^{48 ] อย่างไรก็ตาม}คอมพิวเตอร์แบบอะซิงโครนัสไม่มีข้อได้เปรียบด้านความเร็ว เนื่องจากคอมพิวเตอร์ที่ออกแบบในปัจจุบันทำงานด้วยความเร็วของส่วนประกอบที่ช้าที่สุด ซึ่งโดยปกติคือหน่วยความจำ แต่ใช้พลังงานน้อยกว่าเล็กน้อยเนื่องจากไม่จำเป็นต้องใช้เครือข่ายกระจายสัญญาณนาฬิกา ข้อดีที่คาดไม่ถึงคือ คอมพิวเตอร์แบบอะซิงโครนัสไม่สร้างสัญญาณรบกวนวิทยุที่มีสเปกตรัมบริสุทธิ์ จึงถูกนำไปใช้ในตัวควบคุมสถานีฐานโทรศัพท์มือถือที่ไวต่อคลื่นวิทยุ และอาจมีความปลอดภัยมากกว่าในการใช้งานด้านการเข้ารหัส เนื่องจากคลื่นไฟฟ้าและคลื่นวิทยุที่ปล่อยออกมานั้นถอดรหัสได้ยากกว่า^{[ 48 ]}

สถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์เป็นกิจกรรมทางวิศวกรรมเฉพาะทางที่พยายามจัดเรียงรีจิสเตอร์ ตรรกะการคำนวณ บัส และส่วนอื่นๆ ของคอมพิวเตอร์ให้ดีที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้สำหรับวัตถุประสงค์เฉพาะ สถาปนิกคอมพิวเตอร์ได้ทุ่มเทอย่างมากในการลดต้นทุนและเพิ่มความเร็วของคอมพิวเตอร์ รวมถึงเพิ่มความทนทานต่อข้อผิดพลาดในการเขียนโปรแกรม เป้าหมายที่พบได้บ่อยมากขึ้นของสถาปนิกคอมพิวเตอร์คือการลดการใช้พลังงานในระบบคอมพิวเตอร์ที่ใช้แบตเตอรี่ เช่นสมาร์ทโฟน

วงจรดิจิทัลสร้างขึ้นจากส่วนประกอบอนาล็อก การออกแบบต้องมั่นใจว่าลักษณะอนาล็อกของส่วนประกอบจะไม่ครอบงำพฤติกรรมดิจิทัลที่ต้องการ ระบบดิจิทัลต้องจัดการกับสัญญาณรบกวนและระยะเวลาเผื่อ รวมถึงค่าเหนี่ยวนำและค่าความจุแฝง

การออกแบบที่ไม่ดีมักมีปัญหาเป็นระยะ เช่นสัญญาณผิดเพี้ยนพัลส์ที่เกิดขึ้นเร็วมากจนอาจกระตุ้นวงจรบางส่วนแต่ไม่กระตุ้นส่วนอื่น หรือพัลส์ขนาดเล็กที่ไม่ถึงแรงดันเกณฑ์ ที่ถูก ต้อง

นอกจากนี้ ในกรณีที่ระบบดิจิทัลที่ใช้สัญญาณนาฬิกาเชื่อมต่อกับระบบอนาล็อกหรือระบบที่ใช้สัญญาณนาฬิกาที่แตกต่างกัน ระบบดิจิทัลอาจเกิดภาวะไม่เสถียรได้หากการเปลี่ยนแปลงของอินพุตไปละเมิดเวลาตั้งค่าสำหรับสลักอินพุตดิจิทัล

เนื่องจากวงจรดิจิทัลสร้างขึ้นจากส่วนประกอบอนาล็อก วงจรดิจิทัลจึงคำนวณได้ช้ากว่าวงจรอนาล็อกที่มีความแม่นยำต่ำซึ่งใช้พื้นที่และพลังงานในปริมาณที่ใกล้เคียงกัน อย่างไรก็ตาม วงจรดิจิทัลจะคำนวณได้แม่นยำซ้ำได้มากกว่า เนื่องจากมีความทนทานต่อสัญญาณรบกวนสูง

งานออกแบบเครื่องจักรตรรกะขนาดใหญ่ส่วนใหญ่ได้รับการทำให้เป็นอัตโนมัติแล้วผ่านการประยุกต์ใช้ระบบอัตโนมัติในการออกแบบอิเล็กทรอนิกส์ (EDA)

คำอธิบายตรรกะแบบง่ายๆ ในรูปแบบตารางความจริง มักได้รับการปรับให้เหมาะสมด้วย EDA ซึ่งจะสร้างระบบเกตตรรกะที่ลดขนาดลงโดยอัตโนมัติ หรือตารางค้นหาขนาดเล็กกว่าที่ยังคงให้ผลลัพธ์ที่ต้องการ ตัวอย่างที่พบได้บ่อยที่สุดของซอฟต์แวร์ประเภทนี้คือEspresso ซึ่งเป็นตัวลดขนาดตรรกะแบบฮิวริ สติก การปรับระบบตรรกะขนาดใหญ่ให้เหมาะสมอาจทำได้โดยใช้อัลกอริทึม Quine–McCluskeyหรือแผนภาพการตัดสินใจแบบไบนารี นอกจากนี้ยังมีการทดลองที่น่าสนใจเกี่ยวกับการใช้อัลกอริทึมทางพันธุกรรมและ การปรับให้ เหมาะสม ด้วยการอบอ่อน

เพื่อลดขั้นตอนทางวิศวกรรมที่มีต้นทุนสูงโดยอัตโนมัติ ซอฟต์แวร์ EDA บางตัวสามารถนำตารางสถานะที่อธิบายเครื่องสถานะมาสร้างตารางความจริงหรือตารางฟังก์ชันสำหรับตรรกะเชิงผสมของเครื่องสถานะได้โดยอัตโนมัติ ตารางสถานะเป็นข้อความที่แสดงรายการแต่ละสถานะ พร้อมด้วยเงื่อนไขที่ควบคุมการเปลี่ยนสถานะระหว่างกัน และสัญญาณเอาต์พุตที่เกี่ยวข้อง

โดยทั่วไป ระบบตรรกะจริงมักถูกออกแบบเป็นชุดของโครงการย่อย ซึ่งจะถูกรวมเข้าด้วยกันโดยใช้กระบวนการทำงานของเครื่องมือกระบวนการทำงานของเครื่องมือมักถูกควบคุมด้วยภาษาสคริปต์ซึ่งเป็นภาษาคอมพิวเตอร์แบบง่ายที่สามารถเรียกใช้เครื่องมือออกแบบซอฟต์แวร์ตามลำดับที่ถูกต้อง กระบวนการทำงานของเครื่องมือสำหรับระบบตรรกะขนาดใหญ่ เช่นไมโครโปรเซสเซอร์อาจมีความยาวหลายพันคำสั่ง และรวมงานของวิศวกรหลายร้อยคน การเขียนและการแก้ไขข้อผิดพลาดของกระบวนการทำงานของเครื่องมือเป็นความเชี่ยวชาญทางวิศวกรรมที่ได้รับการยอมรับในบริษัทที่ผลิตงานออกแบบดิจิทัล กระบวนการทำงานของเครื่องมือมักจะสิ้นสุดลงในไฟล์คอมพิวเตอร์โดยละเอียดหรือชุดไฟล์ที่อธิบายวิธีการสร้างตรรกะทางกายภาพ โดยส่วนใหญ่มักประกอบด้วยคำแนะนำเกี่ยวกับวิธีการวาดทรานซิสเตอร์และสายไฟบนวงจรรวมหรือแผงวงจรพิมพ์

ส่วนต่างๆ ของกระบวนการทำงานของเครื่องมือจะถูกตรวจสอบข้อผิดพลาดโดยการเปรียบเทียบผลลัพธ์ของตรรกะจำลองกับข้อมูลป้อนเข้าที่คาดหวัง เครื่องมือทดสอบจะรับไฟล์คอมพิวเตอร์ที่มีชุดข้อมูลป้อนเข้าและผลลัพธ์ และชี้ให้เห็นความไม่สอดคล้องกันระหว่างพฤติกรรมที่จำลองขึ้นกับพฤติกรรมที่คาดหวัง เมื่อเชื่อว่าข้อมูลป้อนเข้าถูกต้องแล้ว การออกแบบเองก็ยังต้องได้รับการตรวจสอบความถูกต้องอีกครั้ง กระบวนการทำงานบางอย่างตรวจสอบการออกแบบโดยการสร้างการออกแบบก่อน จากนั้นสแกนการออกแบบเพื่อสร้างข้อมูลป้อนเข้าที่เข้ากันได้สำหรับกระบวนการทำงาน หากข้อมูลที่สแกนตรงกับข้อมูลป้อนเข้า แสดงว่ากระบวนการทำงานนั้นอาจไม่ได้ก่อให้เกิดข้อผิดพลาด

ข้อมูล การตรวจสอบการทำงานมักเรียกว่าเวกเตอร์ทดสอบเวกเตอร์ทดสอบการทำงานอาจถูกเก็บรักษาไว้และนำไปใช้ในโรงงานเพื่อทดสอบว่าตรรกะที่สร้างขึ้นใหม่ทำงานได้อย่างถูกต้องหรือไม่ อย่างไรก็ตาม รูปแบบการทดสอบการทำงานไม่ได้ตรวจพบข้อผิดพลาดในการผลิตทั้งหมด การทดสอบการผลิตมักถูกออกแบบโดยซอฟต์แวร์สร้างรูปแบบการทดสอบอัตโนมัติ ซอฟต์แวร์เหล่านี้สร้างเวกเตอร์ทดสอบโดยการตรวจสอบโครงสร้างของตรรกะและสร้างการทดสอบที่มุ่งเป้าไปที่ข้อผิดพลาดที่อาจเกิดขึ้นโดยเฉพาะอย่างเป็นระบบ ด้วยวิธีนี้ การครอบคลุมข้อผิดพลาดสามารถเข้าใกล้ 100% ได้ หากการออกแบบนั้นสามารถทดสอบได้อย่างเหมาะสม (ดูส่วนถัดไป)

เมื่อออกแบบเสร็จแล้วและได้รับการตรวจสอบและทดสอบแล้ว มักจะต้องผ่านกระบวนการเพื่อให้สามารถผลิตได้จริงด้วย วงจรรวมสมัยใหม่มีคุณสมบัติที่เล็กกว่าความยาวคลื่นของแสงที่ใช้ในการฉายแสงลงบนสารไวแสง ซอฟต์แวร์ที่ออกแบบมาเพื่อการผลิตจะเพิ่มรูปแบบการแทรกสอดลงในหน้ากากฉายแสงเพื่อกำจัดวงจรเปิดและเพิ่มความคมชัดของหน้ากาก

การทดสอบวงจรลอจิกมีเหตุผลหลายประการ เมื่อวงจรได้รับการพัฒนาขึ้นครั้งแรก จำเป็นต้องตรวจสอบว่าวงจรที่ออกแบบตรงตามข้อกำหนดด้านฟังก์ชันและเวลาที่ต้องการ เมื่อมีการผลิตวงจรที่ออกแบบอย่างถูกต้องหลายชุด จำเป็นต้องทดสอบแต่ละชุดเพื่อให้แน่ใจว่ากระบวนการผลิตไม่ได้ทำให้เกิดข้อบกพร่องใดๆ^{[ 49 ]}

เครื่องจักรตรรกะขนาดใหญ่ (เช่น เครื่องจักรที่มีตัวแปรตรรกะมากกว่าร้อยตัว) สามารถมีสถานะที่เป็นไปได้จำนวนมหาศาล เห็นได้ชัดว่า การทดสอบทุกสถานะของเครื่องจักรดังกล่าวในโรงงานเป็นไปไม่ได้ เพราะแม้ว่าการทดสอบแต่ละสถานะจะใช้เวลาเพียงไมโครวินาที ก็ยังมีสถานะที่เป็นไปได้มากกว่าจำนวนไมโครวินาทีตั้งแต่จักรวาลถือกำเนิดมาเสียอีก!

เครื่องลอจิกขนาดใหญ่เกือบทั้งหมดได้รับการออกแบบให้ประกอบขึ้นจากเครื่องลอจิกขนาดเล็กหลายเครื่อง เพื่อประหยัดเวลา เครื่องย่อยขนาดเล็กเหล่านี้จะถูกแยกออกจากกันด้วย วงจร ทดสอบ ที่ติดตั้งถาวร และทดสอบอย่างอิสระ วิธีการทดสอบทั่วไปอย่างหนึ่งคือการใช้โหมดทดสอบที่บังคับให้บางส่วนของเครื่องลอจิกเข้าสู่รอบการทดสอบรอบการทดสอบนี้มักจะทดสอบชิ้นส่วนขนาดใหญ่ที่ทำงานแยกจากกันของเครื่อง

การทดสอบ แบบ Boundary scanเป็นวิธีการทดสอบทั่วไปที่ใช้การสื่อสารแบบอนุกรมกับอุปกรณ์ทดสอบภายนอกผ่านรีจิสเตอร์เลื่อน (shift register) หนึ่งตัวหรือมากกว่านั้น ซึ่งเรียกว่าscan chainการสแกนแบบอนุกรมใช้สายไฟเพียงหนึ่งหรือสองเส้นในการส่งข้อมูล และช่วยลดขนาดทางกายภาพและค่าใช้จ่ายของวงจรทดสอบที่ใช้งานไม่บ่อย หลังจากที่ข้อมูลทดสอบทั้งหมดถูกป้อนเข้าไปแล้ว การออกแบบจะถูกกำหนดค่าใหม่ให้อยู่ในโหมดปกติและจะมีการส่งสัญญาณนาฬิกาหนึ่งตัวหรือมากกว่านั้นเพื่อทดสอบหาข้อผิดพลาด (เช่น ติดอยู่ที่ระดับต่ำหรือติดอยู่ที่ระดับสูง) และบันทึกผลการทดสอบลงในฟลิปฟลอปหรือแลตช์ในรีจิสเตอร์เลื่อนสแกน สุดท้าย ผลการทดสอบจะถูกเลื่อนออกไปยังขอบเขตของบล็อกและเปรียบเทียบกับผลลัพธ์ ที่คาดการณ์ไว้ สำหรับเครื่องจักรที่ดี

ในสภาพแวดล้อมการทดสอบบนบอร์ด การทดสอบแบบอนุกรมเป็นขนานได้รับการกำหนดเป็นมาตรฐาน JTAG อย่างเป็นทางการแล้ว

เนื่องจากระบบดิจิทัลอาจใช้เกตตรรกะจำนวนมาก ต้นทุนโดยรวมในการสร้างคอมพิวเตอร์จึงมีความสัมพันธ์อย่างมากกับต้นทุนของเกตตรรกะแต่ละตัว ในช่วงทศวรรษ 1930 ระบบตรรกะดิจิทัลรุ่นแรกๆ ถูกสร้างขึ้นจากรีเลย์โทรศัพท์ เนื่องจากมีราคาไม่แพงและค่อนข้างเชื่อถือได้

วงจรรวมแบบแรกถูกสร้างขึ้นเพื่อลดน้ำหนักและช่วยให้คอมพิวเตอร์นำทางอะพอลโลสามารถควบคุมระบบนำทางเฉื่อยสำหรับยานอวกาศได้ วงจรลอจิกแบบรวมรุ่นแรกมีราคาเกือบ 50 ดอลลาร์สหรัฐ ซึ่งในปี 2025 จะเทียบเท่ากับ 544 ดอลลาร์สหรัฐ การผลิตวงจรลอจิกแบบรวมจำนวนมากกลายเป็นวิธีการสร้างตรรกะดิจิทัลที่ประหยัดที่สุด

ด้วยการพัฒนาของวงจรรวมการลดจำนวนชิปที่ใช้จึงเป็นอีกวิธีหนึ่งในการประหยัดต้นทุน เป้าหมายของผู้ออกแบบไม่ใช่แค่การสร้างวงจรที่ง่ายที่สุด แต่เป็นการลดจำนวนชิ้นส่วนลง บางครั้งอาจส่งผลให้การออกแบบซับซ้อนขึ้นในส่วนของตรรกะดิจิทัลพื้นฐาน แต่ก็ช่วยลดจำนวนชิ้นส่วน ขนาดแผงวงจร และแม้กระทั่งการใช้พลังงานลงได้

อีกหนึ่งแรงจูงใจสำคัญในการลดจำนวนชิ้นส่วนบนแผงวงจรพิมพ์คือการลดอัตราความบกพร่องในการผลิตเนื่องจากการเชื่อมต่อบัดกรีที่ล้มเหลว และเพิ่มความน่าเชื่อถือ อัตราความบกพร่องและความล้มเหลวมีแนวโน้มเพิ่มขึ้นตามจำนวนขาของชิ้นส่วนทั้งหมด

การทำงานผิดพลาดของวงจรลอจิกเพียงตัวเดียวอาจทำให้เครื่องจักรดิจิทัลทำงานล้มเหลวได้ หากต้องการความน่าเชื่อถือเพิ่มเติม สามารถเพิ่มวงจรลอจิกสำรองได้ อย่างไรก็ตาม การเพิ่มวงจรสำรองจะเพิ่มต้นทุนและปริมาณการใช้พลังงานมากกว่าระบบที่ไม่มีวงจรสำรอง

ความน่าเชื่อถือของวงจรลอจิกเกตสามารถอธิบายได้ด้วยค่าเฉลี่ยเวลาการทำงานก่อนเกิดความล้มเหลว (MTBF) เครื่องจักรดิจิทัลเริ่มมีประโยชน์เมื่อค่า MTBF ของสวิตช์เพิ่มขึ้นสูงกว่าไม่กี่ร้อยชั่วโมง ถึงกระนั้น เครื่องจักรเหล่านี้จำนวนมากก็มีขั้นตอนการซ่อมแซมที่ซับซ้อนและต้องฝึกฝนมาเป็นอย่างดี และจะไม่สามารถใช้งานได้เป็นเวลาหลายชั่วโมงเนื่องจากหลอดไฟไหม้ หรือมีแมลงเข้าไปติดอยู่ในรีเลย์ วงจรลอจิกเกตแบบทรานซิสเตอร์รวมวงจรสมัยใหม่มีค่า MTBF มากกว่า 82 พันล้านชั่วโมง (8.2 × 10 ¹⁰  h ). ^{[ 50 ]}ความน่าเชื่อถือในระดับนี้เป็นสิ่งจำเป็นเนื่องจากวงจรรวมมีเกตตรรกะจำนวนมาก

Fan-outอธิบายถึงจำนวนอินพุตตรรกะที่สามารถควบคุมได้ด้วยเอาต์พุตตรรกะเดียวโดยไม่เกินพิกัดกระแสไฟฟ้าของเอาต์พุตเกต^{[ 51 ]} Fan-out ขั้นต่ำที่ใช้งานได้จริงคือประมาณห้า เกตตรรกะอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ที่ใช้ ทรานซิสเตอร์ CMOSสำหรับสวิตช์จะมี Fan-out ที่สูงกว่า

ความเร็วในการสลับสถานะอธิบายถึงระยะเวลาที่เอาต์พุตของวงจรลอจิกจะเปลี่ยนจากจริงเป็นเท็จหรือในทางกลับกัน วงจรลอจิกที่เร็วกว่าสามารถทำงานได้หลายอย่างมากขึ้นในเวลาที่น้อยลง วงจรลอจิกดิจิทัลอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่สลับสถานะด้วยความเร็วสูงเป็นประจำ5  GHzและระบบในห้องปฏิบัติการบางระบบสลับการทำงานที่ความถี่มากกว่านั้น1  เทราเฮิรตซ์ ...

การออกแบบระบบดิจิทัลเริ่มต้นด้วยตรรกะรีเลย์ซึ่งทำงานช้า และบางครั้งอาจเกิดความผิดพลาดทางกลไกขึ้นได้ โดยทั่วไปแล้วจำนวนเอาต์พุตจะอยู่ที่ประมาณ 10 ซึ่งถูกจำกัดด้วยความต้านทานของขดลวดและการเกิดประกายไฟที่หน้าสัมผัสเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าสูง

ต่อมา มีการใช้ หลอดสุญญากาศหลอดเหล่านี้ทำงานได้เร็วมาก แต่ก่อให้เกิดความร้อน และไม่น่าเชื่อถือเพราะไส้หลอดจะไหม้ โดยทั่วไปแล้วจำนวนเอาต์พุตจะอยู่ที่ 5 ถึง 7 ซึ่งถูกจำกัดด้วยความร้อนจากกระแสไฟฟ้าในหลอด ในช่วงทศวรรษ 1950 ได้มีการพัฒนาหลอดคอมพิวเตอร์ชนิดพิเศษที่มีไส้หลอดซึ่งไม่มีส่วนประกอบที่ระเหยง่าย เช่น ซิลิคอน หลอดเหล่านี้สามารถใช้งานได้นานหลายแสนชั่วโมง

วงจรลอจิก เซมิคอนดักเตอร์ตระกูลแรก คือ ลอจิกตัวต้านทาน-ทรานซิสเตอร์ซึ่งมีความน่าเชื่อถือมากกว่าหลอดสุญญากาศถึงพันเท่า ทำงานได้เย็นกว่า และใช้พลังงานน้อยกว่า แต่มีค่า fan-out ต่ำมากเพียง 3 ลอจิกไดโอด-ทรานซิสเตอร์ได้ปรับปรุงค่า fan-out ให้สูงขึ้นถึงประมาณ 7 และลดการใช้พลังงานลง บางแบบของ DTL ใช้แหล่งจ่ายไฟสองชุดที่มีชั้นทรานซิสเตอร์ NPN และ PNP สลับกันเพื่อเพิ่มค่า fan-out

วงจรลอจิกแบบทรานซิสเตอร์-ทรานซิสเตอร์ (TTL) เป็นการพัฒนาที่ยอดเยี่ยมกว่าวงจรแบบเดิม ในอุปกรณ์รุ่นแรกๆ จำนวนเอาต์พุตของทรานซิสเตอร์เพิ่มขึ้นเป็น 10 ตัว และรุ่นต่อมาสามารถทำได้ถึง 20 ตัวอย่างน่าเชื่อถือ TTL ยังมีความเร็วสูง โดยบางรุ่นสามารถทำเวลาสลับสัญญาณได้ต่ำถึง 20 นาโนวินาที ปัจจุบัน TTL ยังคงถูกใช้ในงานออกแบบบางประเภท

วงจรลอจิกแบบต่อผ่านตัวส่งสัญญาณ (Emitter coupled logic)มีความเร็วสูงมาก แต่ใช้พลังงานสูงมาก จึงมีการใช้งานอย่างแพร่หลายในคอมพิวเตอร์ประสิทธิภาพสูง เช่นIlliac IVซึ่งประกอบด้วยชิ้นส่วนขนาดกลางจำนวนมาก

วงจรรวมดิจิทัลที่ใช้กันมากที่สุดในปัจจุบันใช้ตรรกะ CMOSซึ่งมีความเร็วสูง มีความหนาแน่นของวงจรสูง และใช้พลังงานต่ำต่อเกต เทคโนโลยีนี้ถูกนำไปใช้แม้ในคอมพิวเตอร์ขนาดใหญ่และเร็ว เช่นIBM System z

ในปี พ.ศ. 2552 นักวิจัยค้นพบว่าเมมริสเตอร์สามารถใช้งานการจัดเก็บสถานะบูลีนและให้ตระกูลตรรกะที่สมบูรณ์ด้วยพื้นที่และพลังงานเพียงเล็กน้อย โดยใช้กระบวนการเซมิคอนดักเตอร์ CMOS ที่คุ้นเคย^{[ 52 ]}

การค้นพบสภาพนำยิ่งยวดได้ช่วยให้เกิดการพัฒนา เทคโนโลยีวงจร ควอนตัมฟลักซ์เดี่ยวแบบรวดเร็ว (RSFQ) ซึ่งใช้จุดเชื่อมต่อโจเซฟสันแทนทรานซิสเตอร์ ล่าสุด มีความพยายามสร้าง ระบบ คอมพิวเตอร์ แบบใช้แสงล้วนๆ ที่สามารถประมวลผลข้อมูลดิจิทัลโดยใช้องค์ประกอบทางแสงแบบไม่เชิงเส้น

• กฎของเดอ มอร์แกน
• ชุดอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์
• รายชื่อโครงการฮาร์ดแวร์โอเพนซอร์สสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์
• ความพยายามเชิงตรรกะ
• การเพิ่มประสิทธิภาพเชิงตรรกะ
• ไมโครอิเล็กทรอนิกส์
• ออสซิลโลสโคป
• การคำนวณแบบไม่ธรรมดา

• Douglas Lewin, การออกแบบเชิงตรรกะของวงจร Switching , Nelson, 1974.
• RH Katz, การออกแบบตรรกะร่วมสมัย , สำนักพิมพ์ The Benjamin/Cummings, 1994
• PK Lala, การออกแบบและการทดสอบตรรกะดิจิทัลเชิงปฏิบัติ , Prentice Hall, 1996
• YK Chan และ SY Lim ความคืบหน้าในการวิจัยแม่เหล็กไฟฟ้า B, ฉบับที่ 1, 269–290, 2008, "การสร้างสัญญาณเรดาร์รูรับแสงสังเคราะห์ (SAR), คณะวิศวกรรมศาสตร์และเทคโนโลยี, มหาวิทยาลัยมัลติมีเดีย, Jalan Ayer Keroh Lama, Bukit Beruang, มะละกา 75450, มาเลเซีย

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับ อุปกรณ์ อิเล็กทรอนิกส์ดิจิทัล

• โครงการวงจรดิจิทัล: ภาพรวมของวงจรดิจิทัลผ่านการใช้งานวงจรรวม (2014)
• บทเรียนเกี่ยวกับวงจรไฟฟ้า - เล่มที่ 4 (ฉบับดิจิทัล)ที่Wayback Machine (เก็บถาวรเมื่อ 27 พฤศจิกายน 2012)
• เอกสารประกอบการเรียนวิชาการออกแบบดิจิทัลเบื้องต้นจาก MIT OpenCourseWare ("6.004: โครงสร้างการคำนวณ")