Ich habe gerade erfahren, dass digitale CMOS-Inverter so konfiguriert werden können, dass sie analoge Funktionen ausführen (insbesondere Oszillatoren und Verstärker). Viele der Beispiele tendieren jedoch dazu, alte Geräte der CD4000-Serie zu bevorzugen. Darüber hinaus wird in diesem Anwendungshinweis in Abschnitt 3 darauf hingewiesen, dass die Verwendung von gepufferten Wechselrichtern Stabilitätsprobleme verursachen kann.

1. Welche Logikfamilien können zuverlässig für lineare Operationen konfiguriert werden? Welche Familien sollten gemieden werden?
2. Verursacht eine "spezielle" Schutzschaltung wie die 5V-tolerante E / A für AHC und LVC zusätzliche Stabilitätsprobleme oder verhindert sie den linearen Betrieb?
3. Was würde passieren, wenn ich versuchen würde, eine lineare Schaltung mit einem TTL-kompatiblen Gerät (HCT, ACT, AHCT) aufzubauen?
4. Wird es als schlechte Praxis angesehen, digitale ICs in ihrem linearen Bereich zu verwenden?

Alle Logikfamilien verwenden gerne gepufferte Wechselrichter, da diese zuverlässiger sind und in digitalen Anwendungen weniger Strom verbrauchen. Ungepufferte Wechselrichter sind jedoch nützlich, um Quarzoszillatoren zu bauen, sodass sie in vielen Familien existieren. suche nach 74xx1GU04.

Ein 5-V-tolerantes E / A hat keine ESD-Schutzdiode für VCC, weist also tendenziell eine geringere Kapazität auf und verzerrt das Signal weniger, wenn es VCC überschreitet.

TTL-kompatible Eingänge haben eine niedrigere Schaltschwelle, sodass sie nicht mehr zwischen VCC und Masse symmetrisch sind.

Ungepufferte Gatter sollen in linearen Schaltkreisen verwendet werden. Es ist unwahrscheinlich, dass gepufferte Tore überhaupt funktionieren.

Ein weiterer nützlicher Anwendungshinweis: Grundlegendes zu (nicht) gepufferten CD4xxx-Eigenschaften .

Sie müssen sich daran erinnern, dass logische Gatter wie Inverter eigentlich nur einfache analoge Schaltkreise und Komparatoren sind, die darauf zugeschnitten sind, mit einem analogen Eingangssignal gut zu funktionieren, das im Grunde zwei stabile Zustände aufweist: High und Low.

Genauso wie Sie Operationsverstärker als Logikgeräte verwenden können, können einfache Logikgeräte auch in einer analogen Rolle verwendet werden.

Insbesondere Wechselrichter erfüllen diese Rolle sehr gut, da Sie wirklich einen einfachen Komparator / Operationsverstärker haben, bei dem der negative Pin als Eingang und der positive Pin im Grunde genommen mit der Halbschiene "verbunden" sind. (Oder ein anderer Punkt für TTL usw.) Da sie den negativen Pin freigeben, können Sie negative Rückkopplungsschleifen genauso verwenden wie bei Operationsverstärkern. Nicht invertierende Logik ist weniger nützlich.

Wie gut sie in einer analogen Rolle funktionieren, hängt natürlich von der Art des jeweiligen Tors ab. Ältere Geräte sind sehr einfach angepasste Transistoren, die gepufferte Variante hat mehr Interna, die sie weniger linear machen.

Logikbauelemente neigen jedoch dazu, den Stromkreis zu unterbrechen oder, schlimmer noch, zu zerstören, wenn sich das Signal zwischen Logikpegeln befindet. Daher ist es keine gute Idee, sie als einfache Verstärker für niederfrequente Signale zu verwenden.

Wenn sie jedoch als Teil einer Verzögerungsschaltung oder als Treiber in einem Oszillator verwendet werden, funktionieren sie gut, insbesondere wenn das Gate ein Schmitt-Trigger mit eingebauter Hysterese ist.

Ich wollte verspätet einige Punkte hinzufügen, die nicht von anderen ausgearbeitet wurden.

Während es üblich ist, ungepufferte Gatter als lineare Verstärker zu verwenden, gibt es einige Nachteile, die berücksichtigt werden müssen.

Am wichtigsten ist vielleicht, dass die Parameter schlecht spezifiziert sind. Während ein Verstärker-Datenblatt viele Informationen über die Eigenschaften des Verstärkers enthält, finden Sie im Datenblatt eines Logikbausteins in der Regel nur sehr wenige Informationen. Darüber hinaus ist mit großen Toleranzen und Schwankungen der Betriebsbedingungen (Betriebsspannung, Temperatur, ...) zu rechnen. Daher möchten Sie möglicherweise nur solche Geräte in Schaltkreisen einsetzen, die so große Schwankungen tolerieren können.

Ungepufferte Inverter sind in verschiedenen CMOS-Logikfamilien erhältlich, angefangen von der alten 4000er-Serie auf der langsamen Seite bis hin zum recht schnellen LVC-Bereich. Ihre Eigenschaften unterscheiden sich deutlich. Sie möchten sich insbesondere den Stromverbrauch genauer ansehen, da der Stromverbrauch in der Regel maximal ist, wenn die Eingangsspannung im mittleren Bereich zwischen hoch und niedrig liegt und beide Transistoren gleichzeitig leiten. Dies wird auch sehr stark von der Betriebsspannung abhängen. Es wird schlimmer, je schneller und leistungsstärker die Logikfamilie ist. Dies ist der Grund, warum die 4000-Serie ziemlich harmlos ist, während die LVC-Logik viel schwieriger zu handhaben ist.

Abhängig von der Logikfamilie kann es auch eine festgelegte maximale Anstiegs- / Abfallzeit für das Signal geben, die anzeigt, dass der Eingangspegel nicht lange zwischen hoch und niedrig bleiben soll. Wenn Sie dagegen verstoßen, wird nicht nur viel Strom verbraucht, sondern es können auch Stabilitätsprobleme auftreten. Es kann sogar die Zuverlässigkeit der Schaltung beeinträchtigen, da in einem relativ kleinen Transistorpaar Wärme erzeugt wird. TI Application Note SCBA004 hat dazu mehr zu sagen.

Fazit ist: Sie können diese Geräte für lineare Anwendungen verwenden, wenn Sie sich der schwerwiegenden Einschränkungen bewusst sind. Ihr niedriger Preis mag attraktiv sein, aber die Nachteile, die mit der einfachen Schaltung einhergehen, sind erheblich.

Digitale ICs, die in ihrem "linearen" Bereich betrieben werden, sind möglicherweise nicht so linear. Vor einigen Jahrzehnten habe ich ein Produkt mit einem CD4xxx-Inverter-Chip in einem Ringoszillator entworfen. Der Hersteller ersetzte ein "modernes" digitales Teil (IIRC HCT), das bei Betrieb im linearen Bereich (gleichzeitig eingeschaltete Pull-up- und Pull-down-Ausgangstransistoren) durchgeschossen wurde. Unnötig zu erwähnen, dass der Chip heiß geworden ist ;-)

Um Ihre Frage zu beantworten, ist es im Allgemeinen eine schlechte Form, digitale ICs als lineare Geräte zu verwenden, außer in sehr seltenen Fällen!

Meine goto CMOS-Lösung

• Alle logischen E / A haben analoge Eigenschaften im linearen Bereich zwischen Vdd und Vss.

• Jede Logikfamilie kann verwendet werden, vorausgesetzt, dass lineare Verstärker mit negativer Rückkopplung eine gute Phasenspanne bei Einheitsverstärkung und Empfindlichkeit gegenüber Vdd und Lieferanten aufweisen müssen.

- Hinzugefügt

• Der 74HCT oder ein beliebiger 74xxT ist TTL-Eingangsschwellenwertkompatibel bei 1,5 V anstelle von Vdd / 2, was dasselbe ist, wenn Sie Vdd = 3 V erreichen. Bei Selbstvorspannung mit negativer R-Rückkopplung verschiebt sich das Ausgangs-Tastverhältnis und versucht, 1,5 VDC am Eingang zu erreichen. Dies hängt vom Signalpegel ab, der die ESD-Klemmdioden gegen Masse triggern kann

• Nicht jeder wird zum ersten Mal erfolgreich sein, genau wie beim linearen und HF-Design ohne vollständige Kenntnis der Impedanz der Schaltung, der Versorgung und des Layouts. Der billige und schmutzige CMOS-gepufferte Inverter verfügt über ein erstaunliches Verstärkungsbandbreitenprodukt von> 150 MHz mit einem Gewinn von> 60 dB für ein paar Cent pro Sekunde Wandler.

Selbstvorspannung ist trivial, wenn der Eingang mit Wechselstrom gekoppelt ist, aber die Auswahl eines gepufferten Wechselrichters erhöht die technische Herausforderung. Die Empfindlichkeit für Oszillationen nimmt zu, wenn die Verstärkung des geschlossenen Regelkreises viel geringer als die Verstärkung des offenen Regelkreises ist, da sie nicht wie bei Operationsverstärkern (OA) intern kompensiert wird.

• Gepufferte Inverter werden eher wie Videoverstärker mit hoher Verstärkung behandelt als ein OA.

Die Verstärkung im offenen Regelkreis für einen 1-stufigen Wechselrichter oder ungepufferten (UB) beträgt mindestens 20 dB und> 60 dB für gepufferte (B) 3 Stufen. Bei Verwendung von Zf / Zs muss für eine negative Rückkopplung der Ein- und Ausgang wie bei einem CMOS-Operationsverstärker mit einer einzelnen Versorgung mit Wechselstrom gekoppelt werden. Zf wird normalerweise mit einem hohen Widerstand für die Selbstvorspannung des Eingangs bei geringem Strom gewählt, aber ein zu hoher Widerstand führt zu einer langsamen Einschaltzeit, damit sich die Eingangsspannung von R2C1 auf Vdd / 2 einstellt.

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab}

Die gepufferten (B) Inverter haben die dreifache dB-Linearverstärkung der ungepufferten (UB), sodass Videoverstärker ein interessantes Verhalten aufweisen, wenn Sie eine 60-dB-Verstärkung mit einer Zout-Treiberimpedanz von 20 bis 500 Ohm benötigen. Wobei Zout = RdsOn = Vol / Iol @ ~ x mA

Andere Details

Angesichts der Geschichte der CMOS-Logik seit 1970 gibt es Dutzende von Standardfamilienpräfixen wie {4xxx, 'HCxxx &' ALCxx}. Alle analogen Eigenschaften sind nicht direkt in den Datenblättern angegeben, wie RdsOn, Ciss und Coss, aber wir kennen diese Grenzstromaufnahme und große Signalbandbreite. Möglicherweise wissen Sie, dass das FET-Verhalten wie RdsOn vs Vgs durch den Vss-Bereich bestimmt wird und dass jede Generation entweder die Geschwindigkeit erhöht, den Stromverbrauch bei Geschwindigkeit verringert oder beides. Dies führte zu einer kleineren Lithographie, niedrigeren Vdd-Bereichen und niedrigeren RdsOn-Treiberwerten.

• Möglicherweise wissen Sie bereits, dass RdsOn für jede Vss-abhängige 54/74-CMOS-Serienfamilie ziemlich konsistent ist (50%). Da steigende Vgs natürlich RdsOn an senkt. Der niedrige Vss-Bereich wird durch die Geschwindigkeit begrenzt, da RdsOn signifikant ansteigt, und der höhere Bereich erhöht den Querleitungsstrom und die Verlustleistung.

Ich gehe davon aus, dass (aber noch nicht überprüft) jede Logikfamilie als linearer Verstärker verwendet werden kann . Jeder Linearverstärker. muss Regeln folgen, um linear und stabil zu machen. Abhängig von der Layout-Induktivität und anderen Impedanzen, die den Phasenabstand der Verstärkungsstufe 1 beeinflussen, kann jedoch eine externe Kompensation für einen Pol erster Ordnung erforderlich sein, wie dies für Operationsverstärker vorgesehen ist.

Für beste Ergebnisse muss der Konstrukteur eine gute Vorstellung von allen Impedanzen * Z (f) des Stromkreises gegenüber der Frequenz haben, auch wenn für alle Lieferanten eine große Toleranz von ~ +/- 50% besteht. Unterschätzen Sie niemals, dass sich diese möglicherweise erheblich ändern. Daher darf AVL in Ihrer Liste der zugelassenen Lieferanten nur diejenigen aufnehmen, die Sie für jede Teilenummer in einem Design überprüft haben. Andernfalls müssen Sie herausfinden, wie Sie diese Probleme durch Design und Testen vermeiden können. Aber im Allgemeinen habe ich festgestellt, dass die Logikspezifikationen, die die RdsOn- (oder Treiber-ESR-) Grenzwerte widerspiegeln, für alle Anbieter konsistent sind.

• Diese * enthalten eine Schätzung von Z (f) der Leistung und der Treiberimpedanz als << Zout, Layouts und Entkopplungskappen bei der Betriebsbandbreite für die Versorgung über jeden Chip. und das CMOS Zout = RdsOn out. Der Grund, warum ungepufferte Wechselrichter stabiler sind und empfohlen werden, liegt darin, dass die einstufige Verstärkung normalerweise für Quarzoszillatoren (XO) geeignet ist, wenn sie mit 1 ~ 10 M Rückkopplung R gegen Gleichstrom vorgespannt sind.

$f_{BW}$$0.35t_R$

Diejenigen, die leicht lernen können, wissen es bereits; Bode Plots, Phasenspanne von 1 gegenüber 3 Stufenverstärkern, Vol / Iol für jede Logikfamilie gegenüber Vcc. Ansonsten keine einfache Erklärung möglich. CD4xxx funktionierte gut mit 3 ~ 18V. Alle anderen sollten ähnlich funktionieren, indem Sie Vcc / RdsOn skalieren. Bei niederohmigen Lasten (~ 50) kann der Pd im Treiber durch Wechselstromkopplung stark reduziert werden. 74ALCxx hat ungefähr 25 Ohm bei 3,3 V, 74HCxx hat ungefähr 50 Ohm +/- 50% bei 5 V über der Temperatur.