Какие семейства логики CMOS можно безопасно использовать для построения линейных схем?

Я только что узнал, что цифровые CMOS-инверторы могут быть сконфигурированы для выполнения аналоговых функций (в первую очередь осцилляторов и усилителей). Однако многие из примеров , как правило, предпочитают старые CD4000-серии устройства. Кроме того, в примечании к приложению упоминается в разделе 3, что использование буферизированных инверторы могут вызывать проблемы со стабильностью.

  1. Какие логические семейства могут быть надежно настроены для выполнения линейных операций? Какие семьи следует избегать?
  2. Будет ли «специальная» схема защиты, такая как 5В-толерантный ввод-вывод для AHC и LVC, вызывает дополнительную проблему стабильности или предотвращает линейную работу?
  3. Что произойдет, если я попытаюсь построить линейную схему с использованием TTL-совместимого устройства (HCT, ACT, AHCT)?
  4. Является ли плохая практика использовать цифровые ИС в их линейной области?
12 голосов | спросил Caleb Reister 23 SatEurope/Moscow2017-12-23T09:17:16+03:00Europe/Moscow12bEurope/MoscowSat, 23 Dec 2017 09:17:16 +0300 2017, 09:17:16

4 ответа


12

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

5 В-толерантный I /O не имеет диода защиты от ESD 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 ворота предназначены для использования в линейных цепях; буферизованные ворота вряд ли будут работать вообще.

Еще одно полезное приложение: Понимание (un) буферизованных характеристик CD4xxx .

ответил CL. 23 SatEurope/Moscow2017-12-23T12:40:50+03:00Europe/Moscow12bEurope/MoscowSat, 23 Dec 2017 12:40:50 +0300 2017, 12:40:50
2

Вы должны помнить логические ворота, такие как инверторы, на самом деле просто простые аналоговые схемы, компараторы, предназначенные для работы с аналоговым входным сигналом, который в основном имеет два стабильных состояния: высокий и низкий.

Таким образом, подобно тому, как вы можете использовать операционные усилители в качестве логических устройств, простые аналоговые устройства также могут использоваться в аналоговой роли.

Инверторы, в частности, хорошо заполняют эту роль, так как то, что у вас действительно есть, представляет собой простой компаратор /операционный усилитель с отрицательным выводом, который отображается как входной сигнал, а положительный контакт в основном «соединен» с половинным рельсом. (Или какой-то другой момент для TTL и т. Д.). Поскольку они выставляют отрицательный вывод, вы можете использовать циклы обратной связи так же, как и с op-amps. Неинвертирующая логика менее полезна.

Насколько хорошо они работают в аналоговой роли, конечно, зависит от характера конкретных ворот. Старые устройства - это очень простые согласованные транзисторы, у буферизованного сорта больше внутренних элементов, которые делают их менее линейными.

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

Однако, используя их как часть схемы задержки или как драйвер в генераторе, они работают хорошо, особенно если затвором является Schmitt Trigger с встроенным гистерезисом.

ответил Trevor_G 23 SatEurope/Moscow2017-12-23T22:06:09+03:00Europe/Moscow12bEurope/MoscowSat, 23 Dec 2017 22:06:09 +0300 2017, 22:06:09
0

Цифровые ИС, работающие в своей «линейной» области, могут быть не такими линейными. Несколько десятилетий назад я разработал продукт, используя чип инвертора CD4xxx в кольцевом генераторе. Изготовитель заменил «современную» цифровую часть (IIRC HCT), которая подвергалась съемке при работе в линейном диапазоне (одновременно включались выходы и выходы транзисторов). Излишне говорить, что чип курил горячий; -)

Итак, чтобы ответить на ваш вопрос, в общем случае плохая форма использования цифровых ИС как линейных устройств, за исключением очень редких обстоятельств!

ответил Dave Nadler 29 FriEurope/Moscow2017-12-29T01:03:39+03:00Europe/Moscow12bEurope/MoscowFri, 29 Dec 2017 01:03:39 +0300 2017, 01:03:39
-2
  • Все логические операции ввода /вывода имеют аналоговые характеристики в линейной области между Vdd & Vss.

  • Любое семейство логик может быть использовано с учетом понимания того, что линейные усилители с отрицательной обратной связью должны иметь хороший запас фазы при единичном усилении и чувствительность к Vdd и поставщикам.

- Добавлен

  • 74HCT или любой 74xxT - это входной порог TTL, совместимый на 1,5 В вместо Vdd /2, который является тем же самым, когда вы добираетесь до Vdd = 3V. При самовыравнивании с отрицательной обратной связью R выходной рабочий цикл будет сдвигаться, пытаясь достичь 1,5 В постоянного тока на входе, поэтому в зависимости от уровня сигнала, который может вызвать диоды запирания ESD на землю.

  • Не каждый будет успешным в первый раз, так же как и в линейном и радиочастотном дизайне без полного осознания импеданса схемы, питания и компоновки, дешевый и грязный CMOS-буферизованный инвертор имеет потрясающий коэффициент усиления полосы пропускания от> 150 МГц с коэффициентом усиления> 60 дБ для пенни на инвертор.


Self-biasing тривиально, когда вход AC соединен, но выбор буферизованного инвертора увеличивает техническую проблему. Чувствительность к колебаниям возрастает, когда усиление с замкнутым контуром намного ниже, чем коэффициент усиления в разомкнутом контуре, поскольку он не компенсируется внутренней частью, как операционные усилители (OA).

  • Буферизованные инверторы рассматриваются скорее как усилители с высоким коэффициентом усиления, чем OA.

Коэффициент разомкнутого контура для одноступенчатого инвертора или небуферизованного (UB) минимум 20 дБ и> 60 дБ для буферизованных (B) 3 стадий. При использовании Zf /Zs для отрицательной обратной связи AC должен подключать вход и выход так же, как и к единственному источнику CMOS Op Amp. Zf обычно выбирается с высоким сопротивлением для низковольтного самовыравнивания постоянного тока на входе, но слишком высоким приводит к медленному включению времени для установления входного напряжения на Vdd /2 из R2C1.

schematic

имитировать эту схему - Схема, созданная с использованием CircuitLab

Буферные (B) инверторы имеют в 3 раза линейный коэффициент усиления без буферизации (UB), так что видеоусилители имеют интересное поведение, если вам требуется 60 дБ усиления с Zout с импедансом драйвера от 20 до 500 Ом. Где Zout = RdsOn = Vol /Iol @ ~ x mA

Другие сведения

Учитывая историю логики CMOS с 1970 года, существуют десятки стандартных семейных префиксов, таких как {4xxx, 'HCxxx & «ALCxx}. Все аналоговые характеристики не указаны непосредственно в спецификациях, таких как RdsOn, Ciss и Coss, но мы знаем этот предельный ток стока и большую ширину полосы сигнала. Вы можете оценить поведение FET, такое как RdsOn vs Vgs, определяется диапазоном Vss и что каждое поколение либо увеличивает скорость, либо снижает потребление энергии на скорости, либо и то, и другое. Это привело к меньшей литографии, более низким диапазонам Vdd и более низким значениям драйверов RdsOn.

  • Возможно, вы уже знаете, что RdsOn является довольно последовательным (50%) для каждого семейства серий CMOS серии 54/74, который зависит от Vss. Поскольку повышение Vgs естественно снижает RdsOn an. Низкий диапазон Vss ограничен скоростью от увеличения RdsOn значительно, а более высокий диапазон повышает ток поперечной проводимости и рассеивание мощности.

Я ожидаю (но не проверял) каждое логическое семейство может использоваться как линейный усилитель . Каждый линейный усилитель. должны следовать правилам, чтобы сделать линейными и стабильными. Однако в зависимости от макс. Индуктивности и другого импеданса, влияющих на разность фаз единичного усиления, внешняя компенсация полюсу 1-го порядка может потребоваться в качестве kn, как предназначены Op Amps.

Для достижения наилучших результатов дизайнер должен иметь хорошее представление обо всех импедансах * Z (f) схемы и частоты, даже если существует широкий допуск ~ +/- 50% для всех поставщиков. Никогда не недооценивайте, что они могут значительно измениться, поэтому ваш утвержденный список поставщиков, AVL должен включать только те, которые вы подтвердили для каждого номера детали в любом дизайне. В противном случаевы должны выяснить, как избежать этих проблем путем проектирования и тестирования. Но в целом я обнаружил, что спецификации Logic, которые отражают ограничения RDSOn (или драйвера ESR), согласованы для всех поставщиков.

  • Эти * включают источник оценки Z (f) мощности и импеданса драйвера, чтобы быть равным <Zout, компоновки и развязки с пропускной способностью для каждой подачи. и CMOS Zout = RdsOn. Причина, по которой небуферизованные инверторы были более стабильными и рекомендованы, состоит в том, что одноступенчатое усиление обычно подходит для кварцевых генераторов (XO) при смещении самоцентрирующегося сигнала с обратной связью 1 ~ 10M R.

Я предполагаю, что у вас есть идея теории управления или графиков Bode. Поскольку каждый этап CMOS является инвертором, буферизованные инверторы имеют 3 этапа усиления G (s) и более фазовый сдвиг vs \ $ f_ {BW} \ $ ~ \ $ 0.35t_R \ $ и, следовательно, меньше стабильности с большей обратной связью H (s).

Те, кто может легко учиться, уже знают; Bode Plots, фазовый запас усилителей 1 и 3 ступени, Vol /Iol для каждого логического семейства vs Vcc. В противном случае невозможно простое объяснение. CD4xxx хорошо работал 3 ~ 18 В, все остальные должны работать аналогично масштабированию Vcc /RdsOn. Для нагрузок с низким полным сопротивлением (~ 50), Pd в драйвере может быть значительно уменьшен с помощью муфты переменного тока. 74ALCxx имеет около 25 Ом @ 3.3V, 74HCxx имеет около 50 Ом +/- 50% @ 5V по темпам.

ответил Tony EE rocketscientist 24 SunEurope/Moscow2017-12-24T00:31:19+03:00Europe/Moscow12bEurope/MoscowSun, 24 Dec 2017 00:31:19 +0300 2017, 00:31:19

Похожие вопросы

Популярные теги

security × 330linux × 316macos × 2827 × 268performance × 244command-line × 241sql-server × 235joomla-3.x × 222java × 189c++ × 186windows × 180cisco × 168bash × 158c# × 142gmail × 139arduino-uno × 139javascript × 134ssh × 133seo × 132mysql × 132