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