Я только что узнал, что цифровые КМОП-преобразователи могут быть сконфигурированы для выполнения аналоговых функций (особенно осцилляторов и усилителей). Тем не менее, многие из примеров имеют тенденцию отдавать предпочтение старым устройствам серии CD4000. Кроме того, в этом примечании по применению в разделе 3 упоминается, что использование буферных инверторов может вызвать проблемы со стабильностью.

1. Какие логические семейства можно надежно настроить для выполнения линейных операций? Каких семей следует избегать?
2. Не вызовут ли «специальные» схемы защиты, такие как 5-вольтовый ввод / вывод для AHC и LVC, дополнительные проблемы со стабильностью или помешают линейной работе?
3. Что произойдет, если я попытаюсь построить линейную цепь с использованием TTL-совместимого устройства (HCT, ACT, AHCT)?
4. Считается ли плохой практикой использование цифровых ИС в их линейной области?

Все логические семейства любят использовать буферные инверторы, потому что они более надежны и потребляют меньше энергии в цифровых приложениях. Однако небуферизованные инверторы полезны для построения кварцевых генераторов, поэтому они существуют во многих семействах; поиск 74xx1GU04.

Допустимый 5 В вход / выход не имеет защитного диода от электростатического разряда для VCC, поэтому он имеет меньшую емкость и искажает сигнал меньше, если он превышает VCC.

TTL-совместимые входы имеют более низкий порог переключения, поэтому они больше не симметричны между VCC и землей.

Небуферизованные вентили предназначены для использования в линейных цепях; буферизованные ворота вряд ли будут работать вообще.

Еще одно полезное замечание по применению: Понимание (не) буферизованных характеристик CD4xxx .

Вы должны помнить, что логические элементы, такие как инверторы, на самом деле являются простыми аналоговыми схемами, компараторами, специально разработанными для работы с аналоговым входным сигналом, который в основном имеет два стабильных состояния: высокое и низкое.

Таким образом, точно так же, как вы можете использовать операционные усилители в качестве логических устройств, простые аналоговые устройства также могут использоваться в качестве аналоговых устройств.

В частности, инверторы хорошо справляются с этой ролью, поскольку в действительности у вас есть простой компаратор / операционный усилитель с отрицательным выводом, выставленным в качестве входа, и положительным выводом, в основном, «подключенным» к половинной шине. (Или какой-то другой момент для TTL и т. Д.) Поскольку они открывают отрицательный вывод, вы можете использовать отрицательные петли обратной связи так же, как вы используете операционные усилители. Неинвертирующая логика менее полезна.

Насколько хорошо они работают в аналоговой роли, конечно, зависит от природы конкретных ворот. Старые устройства представляют собой очень простые согласованные транзисторы, у буферизированной разновидности больше внутренних элементов, которые делают их менее линейными.

Однако логические устройства имеют тенденцию к размыканию или, что еще хуже, к стрельбе, хотя, когда сигнал находится между логическими уровнями, поэтому использование их в качестве простых усилителей для низкочастотных сигналов не является хорошей идеей.

Однако, используя их как часть цепи задержки или как драйвер в генераторе, они работают хорошо, особенно если затвор является триггером Шмитта со встроенным гистерезисом.

Я с опозданием хотел добавить несколько моментов, которые не были разработаны другими.

Хотя в качестве линейных усилителей принято использовать небуферированные затворы, следует помнить о некоторых недостатках.

Возможно, самое главное, параметры плохо указаны. В то время как таблица данных усилителя содержит много информации о свойствах усилителя, вы, как правило, найдете очень мало такой информации в таблице данных логического устройства. Кроме того, должны быть большие допуски и изменчивость в зависимости от условий эксплуатации (рабочее напряжение, температура, ...). Следовательно, вы можете использовать только те устройства в цепях, которые могут выдерживать такие большие изменения.

Небуферизованные инверторы доступны в различных семействах логики CMOS, начиная со старой серии 4000 на медленном конце и заканчивая довольно быстрым диапазоном LVC. Их свойства заметно отличаются. В частности, вы хотите более внимательно взглянуть на энергопотребление, поскольку потребление энергии имеет тенденцию быть максимальным, когда входное напряжение находится в среднем диапазоне между высоким и низким, когда оба транзистора работают одновременно. Это также будет зависеть от рабочего напряжения. Чем хуже и выше выходной диск, чем меньше логическое семейство, тем хуже. Вот почему серия 4000 довольно мягкая, тогда как с логикой типа LVC гораздо сложнее иметь дело.

В зависимости от семейства логики также может быть указано максимальное время нарастания / спада сигнала, которое указывает на то, что уровень входного сигнала не должен оставаться между высоким и низким в течение длительного времени. Если вы нарушаете это, вы не просто получаете высокое энергопотребление, вы также можете столкнуться с проблемами стабильности. Это может даже повлиять на надежность схемы из-за тепла, генерируемого в довольно небольшой паре транзисторов. Замечание по применению TI SCBA004 может сказать больше об этом.

Итог: вы можете использовать эти устройства для линейных приложений, если вы знаете о серьезных ограничениях. Их низкая цена может быть привлекательной, но недостатки, связанные с простой схемой, существенны.

Цифровые ИС, работающие в своей «линейной» области, могут быть не такими линейными. Несколько десятилетий назад я разработал продукт, используя инверторный чип CD4xxx в кольцевом генераторе. Производитель заменил «современную» цифровую часть (IIRC HCT), которая подверглась сквозному прохождению при работе в «линейном» диапазоне (выходные транзисторы с повышением и понижением включались одновременно). Само собой разумеется, чип стал горячим ;-)

Таким образом, чтобы ответить на ваш вопрос, обычно неправильно использовать цифровые ИС в качестве линейных устройств, за исключением очень редких случаев!

Моё Goto CMOS решение

• Все логические входы / выходы имеют аналоговые характеристики в линейной области между Vdd и Vss.

• Можно использовать любое семейство логики, учитывая, что линейные усилители с отрицательной обратной связью должны иметь хороший запас по фазе при единичном усилении и чувствительность к Vdd и поставщикам.

- Добавлено

• 74HCT или любой 74xxT является порогом входа TTL, совместимым при 1,5 В вместо Vdd / 2, что то же самое, когда вы получаете Vdd = 3 В. При самосмещении с отрицательной обратной связью R нагрузочный цикл на выходе будет сдвигаться, пытаясь достичь 1,5 В постоянного тока на входе, в зависимости от уровня сигнала, который может вызвать замыкание диодов ESD на землю.

• Не каждый добьется успеха в первый раз, так же как в линейном и радиочастотном проектировании без полной осведомленности об импедансе схемы, источника питания и компоновки, дешевый и грязный CMOS-буферный инвертор имеет потрясающую полосу пропускания усиления> 150 МГц с усилением> 60 дБ по центам за копейки. инвертор.

Автоматическое смещение является тривиальным, когда вход подключен к переменному току, но выбор буферизованного инвертора усложняет технические задачи. Чувствительность к колебаниям возрастает, когда усиление в замкнутом контуре намного ниже, чем усиление в разомкнутом контуре, поскольку оно не имеет внутренней компенсации, как операционные усилители (ОА).

• Буферизованные инверторы рассматриваются скорее как видеоусилители с высоким коэффициентом усиления, чем ОА.

Коэффициент усиления в разомкнутом контуре для однокаскадного инвертора или без буферизации (UB) составляет минимум 20 дБ и> 60 дБ для буферизованных (B) 3-х ступеней. При использовании Zf / Zs для отрицательной обратной связи переменный ток должен соединять входы и выходы точно так же, как в одном операционном усилителе CMOS с одним источником питания. Zf обычно выбирается с высоким сопротивлением для низковольтного собственного смещения постоянного тока на входе, но слишком высокое приведет к медленному времени включения для снижения входного напряжения до Vdd / 2 от R2C1.

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Буферизованные (B) инверторы имеют линейный коэффициент усиления в 3 дБ по сравнению с небуферизованным (UB), так что видеоусилители имеют интересное поведение, если вам нужно усиление 60 дБ с импедансом драйвера Zout от 20 до 500 Ом. Где Zout = RdsOn = Vol / Iol @ ~ x мА

Другие детали

Учитывая историю логики CMOS с 1970 года, существуют десятки стандартных префиксов семейства, таких как {4xxx, 'HCxxx &' ALCxx}. Все аналоговые характеристики не указаны непосредственно в таблицах данных, таких как RdsOn, Ciss и Coss, но мы знаем, что они ограничивают утечку тока и большую полосу пропускания сигнала. Вы можете оценить поведение FET, например, RdsOn vs Vgs определяется диапазоном Vss и тем, что каждое поколение либо увеличивает скорость, либо снижает энергопотребление на скорости, либо и то, и другое. Это привело к уменьшению литографии, уменьшению диапазонов Vdd и снижению значений драйвера RdsOn.

• Вы, возможно, уже знаете, что RdsOn достаточно непротиворечив (50%) для каждого семейства серий 54/74 CMOS, которое зависит от Vss. С ростом Vgs естественно снижается RdsOn an. Низкий диапазон Vss значительно ограничен скоростью возрастания RdsOn, а более высокий диапазон увеличивает ток перекрестной проводимости и рассеиваемую мощность.

Я ожидаю (но не проверил) каждое логическое семейство можно использовать в качестве линейного усилителя . Каждый линейный усилитель. должны следовать правилам, чтобы сделать линейным и стабильным. Однако в зависимости от индуктивности компоновки и другого импеданса, влияющего на запас по фазе единичного усиления, может потребоваться внешняя компенсация полюса 1-го порядка в зависимости от конструкции операционных усилителей.

Для достижения наилучших результатов разработчик должен иметь хорошее представление обо всех импедансах * Z (f) схемы в зависимости от частоты, даже если существует широкий допуск ~ +/- 50% для всех поставщиков. Никогда не стоит недооценивать, что они могут значительно измениться, поэтому ваш список утвержденных поставщиков, AVL, должен включать только те, которые вы проверяли для каждого номера детали в любой конструкции. В противном случае вы должны выяснить, как избежать этих проблем путем проектирования и тестирования. Но в целом я обнаружил, что спецификации логики, которые отражают ограничения RdsOn (или ESR драйвера), совместимы для всех поставщиков.

• Они * включают в себя источник оценки Z (f) мощности и полного сопротивления драйвера, равный << Zout, разметки и развязки на рабочей полосе пропускания для питания через каждый чип. и CMOS Zout = RdsOn out. Причина, по которой небуферизованные инверторы были более стабильными и рекомендованными, заключается в том, что одноступенчатое усиление обычно достаточно для кварцевых генераторов (XO), когда на собственный постоянный ток смещено с обратной связью 1 ~ 10М R.

$f_{BW}$$0.35t_R$

Те, кто могут легко учиться, уже знают; Графики Боде, запас по фазе 1 против трехступенчатых усилителей, Vol / Iol для каждого логического семейства против Vcc. В противном случае простое объяснение невозможно. CD4xxx работал хорошо 3 ~ 18 В, все остальные должны работать аналогично, масштабируя Vcc / RdsOn. Для нагрузок с низким импедансом (~ 50), Pd в драйвере может быть значительно уменьшен за счет переменного тока. 74ALCxx имеет около 25 Ом при 3,3 В, 74HCxx имеет около 50 Ом +/- 50% при 5 В при температуре.