Щойно я дізнався, що цифрові інвертори CMOS можуть бути налаштовані на виконання аналогових функцій (особливо це стосується генераторів та підсилювачів). Однак багато прикладів, як правило, віддають перевагу старим пристроям серії CD4000. Крім того, у цій додатку в розділі 3 зазначається, що використання захищених інверторів може спричинити проблеми з стабільністю.

1. Які логічні сім’ї можна надійно налаштувати для виконання лінійних операцій? Яких сімей слід уникати?
2. Чи будуть "спеціальні" схеми захисту, такі як 5-толерантний введення / виведення для AHC та LVC, спричинити додаткові проблеми стабільності або перешкодити лінійній роботі?
3. Що буде, якщо я спробую побудувати лінійну схему за допомогою TTL-сумісного пристрою (HCT, ACT, AHCT)?
4. Чи вважається поганою практикою використання цифрових ІМС у лінійному регіоні?

Усі логічні сім'ї люблять використовувати буферизовані інвертори, тому що вони надійніші та використовують менше енергії в цифрових додатках. Однак небуферні інвертори корисні для побудови кристалічних осциляторів, тому вони існують у багатьох сім'ях; пошук 74xx1GU04.

5 В-толерантний введення / вивід не має захисного діода на VDD, тому він має меншу ємність і менше спотворює сигнал, якщо він перевищує VCC.

TTL-сумісні входи мають нижчий поріг комутації, тому вони більше не симетричні між VCC та землею.

Нерозподілені ворота призначені для використання в лінійних ланцюгах; забудовані ворота навряд чи взагалі спрацюють.

Ще одна корисна примітка програми: Розуміння (не) захищених характеристик CD4xxx .

Ви повинні пам’ятати логічні ворота, як перетворювачі - це просто прості аналогові схеми, компаратори, призначені для того, щоб добре працювати з аналоговим вхідним сигналом, який в основному має два стабільних стани, високий і низький.

Як такий, як ви можете використовувати підсилювачі в якості логічних пристроїв, прості логічні пристрої також можуть використовуватися в аналоговій ролі.

Інвестори, зокрема, непогано заповнюють цю роль, оскільки у вас дійсно є простий компаратор / підсилювач із негативним штифтом, що піддається впливу, як вхідний та позитивний штифт, в основному "підключений" до половини рейки. (Або якийсь інший пункт для TTL тощо). Оскільки вони виявляють негативний контакт, ви можете використовувати негативні петлі зворотного зв’язку так само, як і з підсилювачами. Неінвертуюча логіка є менш корисною.

Наскільки добре вони працюють в аналоговій ролі, звичайно, залежить від характеру конкретних воріт. Старі пристрої - це дуже прості транзистори, буферизація має більше внутрішніх частин, що робить їх менш лінійними.

Однак логічні пристрої мають тенденцію до відкритого контуру, або, що ще гірше, при зйомці, коли сигнал знаходиться між логічними рівнями, тому використання їх як простих підсилювачів для низькочастотних сигналів не є чудовою ідеєю.

Однак, використовуючи їх як частину ланцюга затримки, або як драйвер осцилятора, вони працюють добре, особливо якщо затвор є тригером Шмітта, він вбудований в гістерезис.

Я із запізненням хотів додати кілька пунктів, які не були розроблені іншими.

Хоча прийнято використовувати нерозподілені ворота в якості лінійних підсилювачів, є кілька недоліків, які необхідно враховувати.

Мабуть, найголовніше, що параметри погано вказані. Хоча в таблиці даних підсилювача багато інформації про властивості підсилювача, зазвичай ви знайдете дуже мало такої інформації в таблиці даних логічного пристрою. Крім того, мають бути великі допуски та мінливі умови експлуатації (робоча напруга, температура, ...). Отже, ви можете використовувати лише ті пристрої в схемах, які можуть переносити такі великі зміни.

Небуферовані інвертори доступні в різних логічних сімействах CMOS, починаючи зі старої серії 4000 на повільному кінці, аж до досить швидкого діапазону LVC. Їх властивості помітно відрізняються. Ви хочете уважно ознайомитись із споживанням електроенергії, зокрема, оскільки енергоспоживання має тенденцію до максимуму, коли напруга на вході знаходиться в середньому діапазоні між високим та низьким, де обидва транзистора працюють одночасно. Це також буде дуже залежно від робочої напруги. Це стає гірше, чим швидше і вищий вихідний привід - це логічне сімейство. Ось чому серія 4000 досить доброякісна, тоді як з логікою типу LVC боротися набагато складніше.

Залежно від сімейства логік, також може бути визначений максимальний час підйому / падіння сигналу, що вказує на те, що рівень введення не повинен довго залишатися між високим і низьким. Якщо ви порушите це, ви не просто отримаєте високу енергоспоживання, ви також можете зіткнутися з проблемами стабільності. Це навіть може вплинути на надійність ланцюга через тепло, що генерується в досить невеликій парі транзисторів. Примітка програми TI SCBA004 має про це більше сказати.

Підсумок: Ви можете використовувати ці пристрої для лінійних програм, якщо ви знаєте про серйозні обмеження. Їх низька ціна може бути привабливою, але недоліки, які виникають у простого контуру, є суттєвими.

Цифрові ІС, що працюють у своїй "лінійній" області, можуть бути не такими лінійними. Деякі десятиліття тому я розробив продукт, використовуючи інверторний чіп CD4xxx в кільцевому генераторі. Виробник замінив "сучасну" цифрову частину (IIRC HCT), яка зазнала прострілу, коли працювала в "лінійному" діапазоні (одночасно включалися вихідні транзистори). Потрібно говорити, що фішка гаряче палила ;-)

Отже, щоб відповісти на ваше запитання, як правило, погана форма використання цифрових ІМС як лінійних пристроїв, за винятком дуже рідкісних обставин!

Моє рішення CMOS

• Усі логічні введення / виведення мають аналогові характеристики в лінійній області між Vdd і Vss.

• Будь-яке сімейство логік може бути використане, враховуючи розуміння того, що лінійні підсилювачі негативного зворотного зв’язку повинні мати хороший фазовий запас при посиленні єдності та чутливості до Vdd та постачальників.

- Додано

• 74HCT або будь-який 74xxT - поріг входу TTL, сумісний при 1,5 V замість Vdd / 2, що те саме, що ви потрапляєте до Vdd = 3V. При самостійному зміщенні з негативним зворотним зв'язком R вихідний робочий цикл зміститься, намагаючись досягти 1,5 В постійного струму на вході, так що залежно від рівня сигналу, який може викликати затискачі діодів ESD на землю

• Не кожен буде успішним вперше, як і в лінійному та радіочастотному дизайні без повної обізнаності про імпеданс схеми, живлення та компонування, дешевий і брудний буферний інвертор CMOS має дивовижний продукт пропускної здатності> 150 МГц з> посиленням 60 дБ за копійки інвертор.

Автоматичне зміщення тривіально, коли вхід з'єднаний змінного струму, але вибір захищеного інвертора збільшує технічну проблему. Чутливість до коливань зростає, коли посилення замкнутого циклу значно нижче, ніж посилення відкритого циклу, оскільки воно не компенсується внутрішньо, як Op Amps (OA).

• Буферизовані інвертори розглядаються швидше як відео підсилювачі з високим коефіцієнтом посилення, ніж ОА.

Коефіцієнт посилення відкритого циклу для одномоментного інвертора або небуферизованого (UB) становить мінімум 20 дБ та> 60 дБ для буферизованих (В) 3 ступенів. При використанні Zf / Zs для негативного зворотного зв'язку потрібно змінного струму з'єднати вхід і виходи так само, як в одному джерелі живлення CMOS Op Amp. Зазвичай Zf вибирається з високим опором для зміщення вхідного струму з низьким струмом, але занадто високий призведе до уповільнення часу включення напруги вхідної напруги до Vdd / 2 від R2C1.

^{імітувати цю схему - Схематично створено за допомогою CircuitLab}

Буферизовані (B) інвертори мають 3-кратний лінійний коефіцієнт посилення нерозподіленого (UB) дБ, так що відеопідсилювачі мають цікаву поведінку, якщо вам потрібно посилення 60dB при опорі драйвера від 20 до 500 Ом. Де Zout = RdsOn = Vol / Iol @ ~ x mA

Інші деталі

Враховуючи історію логіки CMOS з 1970 року, існує десятки стандартних префіксів сімейства, такі як {4xxx, 'HCxxx &' ALCxx}. Всі аналогові характеристики не вказані безпосередньо в таблицях даних, таких як RdsOn, Ciss і Coss, але ми знаємо ці граничні витрати струму та велику пропускну здатність сигналу. Ви можете оцінити поведінку FET, таку як RdsOn vs Vgs, визначається діапазоном Vss і що кожне покоління або збільшує швидкість, знижує енергоспоживання на швидкості або те й інше. Це призвело до меншої літографії, нижчих діапазонів Vdd та менших значень драйвера RdsOn.

• Ви, можливо, вже знаєте, що RdsOn досить послідовний (50%) для кожної сімейства серій CMOS 54/74, від якої залежить Vss. Оскільки піднімаються Vgs природно знижує RdsOn an. Діапазон низьких Vss обмежений швидкістю від підвищення RdsOn, а більш високий діапазон збільшує струм перехресної провідності та розсіювання потужності.

Я очікую (але не перевірив), що кожне сімейство логік може використовуватися як лінійний підсилювач . Кожен лінійний підсилювач. повинні дотримуватися правил, щоб зробити лінійними та стабільними. Однак залежно від індуктивності компоновки та іншого опору, що впливає на фазовий запас коефіцієнта посилення одиниці, зовнішня компенсація полюсу першого порядку може бути необхідною, як кн, як розроблені Op Ampers.

Для досягнення найкращих результатів конструктор повинен добре уявити всі імпеданси * Z (f) ланцюга проти частоти, навіть якщо існує широкий допуск ~ +/- 50% для всіх постачальників. Ніколи не варто недооцінювати, що вони можуть суттєво змінитися, тому ваш затверджений список постачальників, AVL повинен включати лише ті, які ви перевірили для кожного номера деталі в будь-якому дизайні. В іншому випадку ви повинні з'ясувати, як уникнути цих проблем шляхом проектування та тестування. Але загалом я знайшов специфікації Logic, які відображають обмеження RdsOn (або драйвера ESR), які відповідають усім постачальникам.

• Ці * включають оцінку джерела Z (f) потужності та імпедансу драйвера, що становлять << Zout, макети та роз'єднувальні ковпачки на робочій пропускній здатності для живлення для кожного чіпа. і CMOS Zout = RdsOn out. Причина, що небуферизовані інвертори були більш стабільними та рекомендованими, полягає в тому, що коефіцієнт підсилення на одній стадії зазвичай є адекватним для кристалічних осциляторів (XO), коли автономний постійний струм зміщений із зворотним зв'язком 1 ~ 10 М R.

Я припускаю, що ви маєте уявлення про теорію управління або сюжети Боде. Оскільки кожна стадія CMOS є інвертором, буферні інвертори мають 3 ступені посилення G (s) і більше зсув фази vs$f_{BW}$~$0.35t_R$ і, таким чином, менше стабільності з більшою кількістю зворотних зв'язків H (s).

Ті, хто може легко вчитися, вже знають; Діаграми Bode, запас фази від 1 до 3 ступінчатих амперів, Vol / Iol для кожної логічної родини проти Vcc. Інакше просте пояснення неможливо. CD4xxx працював добре 3 ~ 18 В, всі інші повинні працювати аналогічно за допомогою масштабування Vcc / RdsOn. При низьких навантаженнях опору (~ 50), Pd у драйвері може бути значно зменшений за допомогою з'єднання змінного струму. 74ALCxx має близько 25 Ом @ 3.3V, 74HCxx має близько 50 Ом +/- 50% @ 5V за темп.