Właśnie się dowiedziałem, że cyfrowe falowniki CMOS można skonfigurować do wykonywania funkcji analogowych (przede wszystkim oscylatorów i wzmacniaczy). Jednak wiele przykładów faworyzuje stare urządzenia z serii CD4000. Ponadto ta nota aplikacyjna wspomina w sekcji 3, że użycie buforowanych falowników może powodować problemy ze stabilnością.

1. Które rodziny logiki można niezawodnie skonfigurować do wykonywania operacji liniowych? Których rodzin należy unikać?
2. Czy „specjalne” obwody ochronne, takie jak I / O tolerujące 5 V dla AHC i LVC, spowodują dodatkowe problemy ze stabilnością lub zapobiegną pracy liniowej?
3. Co by się stało, gdybym próbował zbudować obwód liniowy przy użyciu urządzenia zgodnego z TTL (HCT, ACT, AHCT)?
4. Czy uważa się za złą praktykę stosowanie cyfrowych układów scalonych w ich liniowym regionie?

Wszystkie rodziny logiczne lubią korzystać z buforowanych falowników, ponieważ są one bardziej niezawodne i zużywają mniej energii w aplikacjach cyfrowych. Jednak niebuforowane falowniki są przydatne do budowy oscylatorów kwarcowych, dlatego istnieją w wielu rodzinach; wyszukaj 74xx1GU04.

We / wy tolerujące 5 V nie ma diody zabezpieczającej przed wyładowaniami elektrostatycznymi w stosunku do VCC, dlatego ma mniejszą pojemność i mniej zniekształca sygnał, jeśli przekracza VCC.

Wejścia kompatybilne z TTL mają niższy próg przełączania, więc nie są już symetryczne między VCC a uziemieniem.

Niebuforowane bramki są przeznaczone do stosowania w obwodach liniowych; buforowane bramy w ogóle nie będą działać.

Kolejna przydatna uwaga dotycząca aplikacji: Zrozumienie (nie) buforowanej charakterystyki CD4xxx .

Trzeba pamiętać, że bramki logiczne, takie jak falowniki, to po prostu proste obwody analogowe, komparatory, dostosowane do pracy z analogowym sygnałem wejściowym, który zasadniczo ma dwa stabilne stany: wysoki i niski.

Jako takie, podobnie jak można używać wzmacniaczy operacyjnych jako urządzeń logicznych, proste urządzenia logiczne mogą być również używane w roli analogowej.

W szczególności falowniki ładnie wypełniają tę rolę, ponieważ tak naprawdę masz prosty komparator / wzmacniacz operacyjny z ujemnym pinem odsłoniętym jako wejście, a pin dodatni jest w zasadzie „podłączony” do połowy szyny. (Lub jakiś inny punkt dla TTL itp.) Ponieważ ujawniają ujemny pin, możesz używać pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego w taki sam sposób, jak w przypadku wzmacniaczy operacyjnych. Logika nieodwracająca jest mniej użyteczna.

To, jak dobrze działają w roli analogowej, zależy oczywiście od charakteru konkretnej bramy. Starsze urządzenia są bardzo prostymi dopasowanymi tranzystorami, buforowana odmiana ma więcej wewnętrznych elementów, co czyni je mniej liniowymi.

Urządzenia logiczne mają jednak tendencję do otwartego obwodu lub, co gorsza, strzelania, gdy sygnał znajduje się między poziomami logicznymi, więc użycie ich jako prostych wzmacniaczy dla sygnałów o niskiej częstotliwości nie jest świetnym pomysłem.

Jednak wykorzystując je jako część obwodu opóźniającego lub jako sterownik w oscylatorze, działają dobrze, szczególnie jeśli brama jest wyzwalaczem Schmitta z wbudowaną histerezą.

Z opóźnieniem chciałem dodać kilka punktów, które nie zostały opracowane przez innych.

Chociaż zwykle stosuje się niebuforowane bramki jako wzmacniacze liniowe, należy pamiętać o kilku wadach.

Być może co najważniejsze, parametry są źle określone. Podczas gdy arkusz danych wzmacniacza zawiera wiele informacji o właściwościach wzmacniacza, zwykle bardzo mało takich informacji znajduje się w arkuszu danych urządzenia logicznego. Ponadto muszą istnieć duże tolerancje i zmienność w zależności od warunków pracy (napięcie robocze, temperatura, ...). Dlatego możesz chcieć stosować tylko te urządzenia w obwodach, które mogą tolerować tak duże zmiany.

Niebuforowane falowniki są dostępne w różnych rodzinach logicznych CMOS, poczynając od starej serii 4000 na wolnym końcu, aż po dość szybki zakres LVC. Ich właściwości różnią się znacznie. W szczególności chcesz dokładnie przyjrzeć się zużyciu energii, ponieważ pobór mocy jest zwykle maksymalny, gdy napięcie wejściowe jest w średnim zakresie od wysokiego do niskiego, gdzie oba tranzystory przewodzą jednocześnie. Będzie to również bardzo zależało od napięcia roboczego. Gorzej, im szybsza i wyższa moc wyjściowa rodziny logiki. Właśnie dlatego seria 4000 jest dość łagodna, podczas gdy logika typu LVC ​​jest znacznie trudniejsza do opanowania.

W zależności od rodziny logicznej może również istnieć określony maksymalny czas narastania / opadania sygnału, co wskazuje, że poziom wejściowy nie powinien długo pozostawać między wysokim a niskim. Jeśli naruszysz to, nie tylko uzyskasz wysokie zużycie energii, możesz również napotkać problemy ze stabilnością. Może to nawet wpłynąć na niezawodność obwodu z powodu ciepła generowanego w dość małej parze tranzystorów. Nota aplikacyjna TI SCBA004 ma więcej do powiedzenia na ten temat.

Podsumowując: możesz używać tych urządzeń do zastosowań liniowych, jeśli zdajesz sobie sprawę z poważnych ograniczeń. Ich niska cena może być atrakcyjna, ale wady związane z prostym obwodem są znaczne.

Cyfrowe układy scalone działające w swoim regionie „liniowym” mogą nie być tak liniowe. Kilka dekad temu zaprojektowałem produkt wykorzystujący układ falownika CD4xxx w oscylatorze pierścieniowym. Producent zastąpił „nowoczesną” część cyfrową (IIRC HCT), która ucierpiała, gdy pracowała w swoim „liniowym” zakresie (tranzystory wyjściowe pull-up i down-down włączone jednocześnie). Nie trzeba dodawać, że chip zaczął się palić ;-)

Tak więc, aby odpowiedzieć na twoje pytanie, używanie cyfrowych układów scalonych jako urządzeń liniowych jest na ogół złe, z wyjątkiem bardzo rzadkich okoliczności!

Moje rozwiązanie CMOS goto

• Wszystkie logiczne wejścia / wyjścia mają charakterystykę analogową w obszarze liniowym między Vdd i Vss.

• Można użyć dowolnej rodziny Logic, biorąc pod uwagę, że wzmacniacze liniowe z ujemnym sprzężeniem zwrotnym muszą mieć dobry margines fazowy przy wzmocnieniu jedności i wrażliwość na Vdd i dostawców.

- Dodany

• 74HCT lub jakikolwiek 74xxT jest zgodny z progiem wejściowym TTL przy 1,5 V zamiast Vdd / 2, co jest tym samym, gdy osiągniesz Vdd = 3 V. W przypadku autodeligacji z ujemnym sprzężeniem zwrotnym R cykl pracy wyjściowej przesunie się, próbując osiągnąć 1,5 V DC na wejściu, więc w zależności od poziomu sygnału, który może wyzwolić diody cęgowe ESD do masy

• Nie wszyscy odniosą sukces za pierwszym razem, tak jak w przypadku projektowania liniowego i RF bez pełnej świadomości impedancji obwodu, zasilania i układu, tani i brudny falownik buforowany CMOS ma niesamowity produkt o przepustowości> 150 MHz z> 60 dB zysku za grosze na cent falownik.

Samonapęd jest trywialny, gdy wejście jest sprzężone prądem przemiennym, ale wybór buforowanego falownika zwiększa wyzwanie techniczne. Czułość na drgania wzrasta, gdy wzmocnienie w pętli zamkniętej jest znacznie niższe niż wzmocnienie w pętli otwartej, ponieważ nie jest wewnętrznie kompensowane jak wzmacniacze operacyjne (OA).

• Buforowane falowniki są traktowane bardziej jak wzmacniacze wideo o wysokim wzmocnieniu niż OA.

Wzmocnienie w otwartej pętli dla falownika 1-stopniowego lub niebuforowanego (UB) wynosi minimum 20 dB, a> 3 dB dla buforowanych (B) 3 stopni. W przypadku stosowania Zf / Zs, w celu uzyskania ujemnego sprzężenia zwrotnego należy AC połączyć wejścia i wyjścia tak, jak w pojedynczym zasilaniu CMOS Op Amp. Zf jest zwykle wybierany z wysoką rezystancją dla niskonapięciowego samodociskania wejściowego prądu stałego DC, ale zbyt wysoki spowoduje powolny czas włączenia napięcia wejściowego do ustalenia Vdd / 2 z R2C1.

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab}

Buforowane falowniki (B) mają 3-krotność wzmocnienia liniowego dB niebuforowanego (UB), dzięki czemu wzmacniacze wideo zachowują się interesująco, jeśli potrzebujesz wzmocnienia 60 dB przy Zout o impedancji sterownika od 20 do 500 omów. Gdzie Zout = RdsOn = Vol / Iol @ ~ x mA

Inne szczegóły

Biorąc pod uwagę historię logiki CMOS od 1970 roku, istnieją dziesiątki standardowych prefiksów rodzinnych, takich jak {4xxx, „HCxxx i” ALCxx}. Wszystkie charakterystyki analogowe nie są określone bezpośrednio w arkuszach danych, takich jak RdsOn, Ciss i Coss, ale znamy te ograniczenia poboru prądu i dużej przepustowości sygnału. Możesz docenić zachowanie FET, takie jak RdsOn vs Vgs, zależy od zakresu Vss i że każda generacja albo zwiększa prędkość, zmniejsza zużycie energii przy prędkości, albo jedno i drugie. Spowodowało to mniejszą litografię, niższe zakresy Vdd i niższe wartości sterownika RdsOn.

• Być może już wiesz, że RdsOn jest dość spójny (50%) dla każdej rodziny serii 54/74 CMOS, która jest zależna od Vss. Ponieważ wzrost Vgs naturalnie obniża RdsOn an. Niski zakres Vss jest ograniczony przez prędkość znacznie rosnącą RdsOn, a wyższy zakres zwiększa prąd przewodzenia krzyżowego i rozpraszanie mocy.

Spodziewam się (ale nie zweryfikowałem), że każda rodzina logiki może być używana jako wzmacniacz liniowy . Każdy wzmacniacz liniowy muszą przestrzegać zasad, aby uczynić liniowym i stabilnym. Jednak w zależności od indukcyjności układu i innej impedancji wpływającej na margines fazy wzmocnienia jedności, konieczna może być kompensacja zewnętrzna do bieguna 1-go rzędu w celu zaprojektowania wzmacniaczy operacyjnych.

Aby uzyskać najlepsze wyniki, projektant musi mieć dobre pojęcie o wszystkich impedancjach * Z (f) obwodu w funkcji częstotliwości, nawet jeśli dla wszystkich dostawców istnieje szeroka tolerancja ~ +/- 50%. Nigdy nie lekceważ, że mogą się one znacznie zmienić, więc Twoja lista zatwierdzonych dostawców, AVL musi zawierać tylko te, które zweryfikowałeś dla każdego numeru części w dowolnym projekcie. W przeciwnym razie musisz dowiedzieć się, jak uniknąć tych problemów, projektując i testując. Ale ogólnie stwierdziłem, że specyfikacje logiki odzwierciedlające limity RdsOn (lub ESR sterownika) są spójne dla wszystkich dostawców.

• Obejmują one * szacunkową wartość źródła Z (f) mocy i impedancji sterownika na << Zout, układy i pułapki odsprzęgające przy operacyjnej szerokości pasma zasilania dla każdego układu. i CMOS Zout = RdsOn out. Powodem, dla którego niebuforowane falowniki były bardziej stabilne i zalecane, jest to, że wzmocnienie jednostopniowe jest zwykle wystarczające dla oscylatorów kwarcowych (XO), gdy napięcie prądu stałego jest spolaryzowane 1 ~ 10 M sprzężenia zwrotnego R.

Zakładam, że masz jakieś pojęcie na temat teorii sterowania lub wykresów Bode. Ponieważ każdy stopień CMOS jest falownikiem, falowniki buforowane mają 3 stopnie wzmocnienia G (s) i więcej przesunięć fazowych w porównaniu$f_{BW}$~$0.35t_R$ a zatem mniejsza stabilność przy większej liczbie sprzężeń zwrotnych H (s).

Ci, którzy mogą łatwo się uczyć, już wiedzą; Wykresy Bodego, margines fazowy 1 vs 3 wzmacniacze etapowe, Vol / Iol dla każdej rodziny logicznej vs Vcc. W przeciwnym razie nie jest możliwe proste wyjaśnienie. CD4xxx działał dobrze 3 ~ 18V, wszystkie pozostałe powinny działać podobnie skalując Vcc / RdsOn. W przypadku obciążeń o niskiej impedancji (~ 50) Pd w sterowniku można znacznie zmniejszyć przez sprzężenie prądem przemiennym. 74ALCxx ma około 25 omów przy 3,3 V, 74HCxx ma około 50 omów +/- 50% przy 5 V ponad temp.