ตระกูลลอจิกแบบ CMOS ชนิดใดที่สามารถใช้เพื่อสร้างวงจรเชิงเส้นได้อย่างปลอดภัย


15

ฉันเพิ่งเรียนรู้ว่าอินเวอร์เตอร์ CMOS แบบดิจิทัลสามารถกำหนดค่าให้ทำหน้าที่แบบอะนาล็อกได้ อย่างไรก็ตามตัวอย่างจำนวนมากมักนิยมใช้อุปกรณ์รุ่น CD4000 รุ่นเก่า นอกจากนี้แอปพลิเคชันนี้ยังกล่าวถึงในส่วนที่ 3 ว่าการใช้อินเวอร์เตอร์บัฟเฟอร์อาจทำให้เกิดปัญหาด้านความมั่นคง

  1. ตระกูลตรรกะใดที่สามารถกำหนดค่าได้อย่างน่าเชื่อถือเพื่อดำเนินการเชิงเส้น ครอบครัวไหนที่ควรหลีกเลี่ยง
  2. วงจรป้องกัน "พิเศษ" เช่น I / O ที่ทน 5V สำหรับ AHC และ LVC จะทำให้เกิดปัญหาเสถียรภาพเพิ่มเติมหรือป้องกันการทำงานเชิงเส้นหรือไม่?
  3. จะเกิดอะไรขึ้นถ้าฉันพยายามสร้างวงจรเชิงเส้นโดยใช้อุปกรณ์ที่รองรับ TTL (HCT, ACT, AHCT)
  4. ถือว่าเป็นการปฏิบัติที่ไม่ถูกต้องหรือไม่ที่จะใช้ไอซีดิจิตอลในภูมิภาคเชิงเส้นของพวกเขา?

1
ว้าวคำถามที่ดีอาจเป็นเพราะอุปกรณ์ CMOS ของโรงเรียนเก่าให้ความเสถียรของอคติที่ดีกว่าเพราะพวกเขามีความต้านทานภายในที่มากขึ้นอาจเป็นเพราะอุปกรณ์ของโรงเรียนเก่ามีแนวโน้มที่จะไม่เสถียรเพราะพวกเขาอยู่ในมาตรฐานสมัยใหม่ช้ามาก จะดีกว่าฉันกำลังมองหาคำตอบสำหรับคำถามนี้
ออทิสติก

ดูแผนภาพการทำงานของอินเวอร์เตอร์ในซีรีย์ลอจิกที่ 1 - เช่น 4,000 CMOS พวกมันเป็นทรานซิสเตอร์ MOS คู่เดียวอย่างมีประสิทธิภาพ ประตูบัฟเฟอร์มีสองขั้นตอน (หรือมากกว่า) - อินเวอร์เตอร์และจากนั้นไม่เปลี่ยนบัฟเฟอร์บัฟเฟอร์คู่พื้นฐานที่ดีกว่าตรงกับอินเวอร์เตอร์ที่ต้องการ
Russell McMahon

คำตอบ:


12

โลจิคัลตระกูลทั้งหมดต้องการใช้อินเวอร์เตอร์บัฟเฟอร์เนื่องจากมันมีความน่าเชื่อถือมากกว่าและใช้พลังงานน้อยกว่าในแอพพลิเคชั่นดิจิตอล อย่างไรก็ตามอินเวอร์เตอร์แบบไม่มีบัฟเฟอร์นั้นมีประโยชน์ในการสร้างออสซิลเลเตอร์คริสตัลดังนั้นจึงมีอยู่ในหลายครอบครัว ค้นหา 74xx1GU04

I / O ที่ทนต่อแรงดัน 5 V ไม่มีไดโอดป้องกัน ESD ต่อ VCC ดังนั้นจึงมีแนวโน้มที่จะมีความจุน้อยกว่าและบิดเบือนสัญญาณน้อยกว่าหากเกิน VCC

อินพุตที่เข้ากันได้กับ TTL มีเกณฑ์การเปลี่ยนที่ต่ำกว่าดังนั้นจึงไม่มีความสมมาตรระหว่าง VCC และกราวด์อีกต่อไป

ประตูที่ไม่มีบัฟเฟอร์มีไว้เพื่อใช้ในวงจรเชิงเส้น ประตูบัฟเฟอร์ไม่น่าจะทำงานได้เลย

อีกโปรแกรมที่มีประโยชน์หมายเหตุ: ความเข้าใจ (UN) บัฟเฟอร์ลักษณะ


ผู้ที่เข้าใจว่าตรรกะทั้งหมดเป็นแบบอะนาล็อก ไม่จำเป็นต้องอธิบายผู้ที่สามารถเรียนรู้รู้ได้ง่าย Bode Plots, ระยะขอบของ 1 vs 3 stage, Vol / Iol สำหรับแต่ละตระกูล Logic เทียบกับ Vcc มิฉะนั้นจะไม่มีคำอธิบายง่ายๆ CD4xxx ทำงานได้ดี 3 ~ 18V คนอื่น ๆ ทั้งหมดควรทำงานคล้ายกันโดยการปรับ Vcc / RdsOn สำหรับ Iq
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

ฉันใช้ประตูบัฟเฟอร์หลายตัวสำหรับแอมพลิฟายเออร์กำลังสูงจาก DC ถึง RF แต่มันต้องการทักษะการออกแบบแบบอะนาล็อก (ในเวลาที่หยิกไม่เป็นกฎ)
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

2

คุณต้องจำไว้ว่าประตูลอจิกเช่นอินเวอร์เตอร์เป็นเพียงวงจรอนาล็อกธรรมดาตัวเปรียบเทียบที่ปรับแต่งให้ทำงานได้ดีกับสัญญาณอินพุตแบบอะนาล็อกที่โดยทั่วไปมีสถานะเสถียรสองสถานะคือสูงและต่ำ

เช่นเดียวกับที่คุณสามารถใช้ op-amps เป็นอุปกรณ์ลอจิคัลอุปกรณ์ตรรกะอย่างง่ายยังสามารถใช้ในบทบาทแอนะล็อก

โดยเฉพาะอย่างยิ่งผู้ที่ทำหน้าที่เติมบทบาทนี้อย่างยิ่งเนื่องจากสิ่งที่คุณมีคือตัวเปรียบเทียบ / op-amp แบบเรียบง่ายโดยมีขาลบสัมผัสเป็นอินพุตและขาบวกโดยทั่วไป "เชื่อมต่อ" กับรางครึ่ง (หรือจุดอื่นสำหรับ TTL และอื่น ๆ ) เนื่องจากพวกมันแสดงให้เห็นถึงพินเชิงลบคุณสามารถใช้ลูปตอบรับเชิงลบในลักษณะเดียวกับที่คุณทำกับ op-amps ตรรกะที่ไม่กลับด้านนั้นมีประโยชน์น้อยกว่า

แน่นอนว่าพวกเขาทำงานในบทบาทอะนาล็อกได้ดีขึ้นอยู่กับลักษณะของประตูนั้น ๆ อุปกรณ์รุ่นเก่านั้นเป็นทรานซิสเตอร์ที่จับคู่ได้ง่ายมากความหลากหลายของบัฟเฟอร์ที่มีอยู่ภายในมีมากขึ้นซึ่งทำให้พวกมันเชิงเส้นน้อยลง

อุปกรณ์ลอจิกมีแนวโน้มที่จะเปิดวงจรหรือแย่กว่านั้นยิงแม้ว่าเมื่อสัญญาณอยู่ระหว่างระดับตรรกะดังนั้นการใช้พวกมันเป็นเครื่องขยายสัญญาณอย่างง่ายสำหรับสัญญาณความถี่ต่ำนั้นไม่ใช่ความคิดที่ดี

อย่างไรก็ตามการใช้พวกมันเป็นส่วนหนึ่งของวงจรหน่วงเวลาหรือในฐานะคนขับใน oscillator พวกมันทำงานได้ดีโดยเฉพาะถ้า gate เป็นSchmitt Triggerซึ่งมันสร้างขึ้นใน hysteresis


2

ฉันอยากจะเพิ่มบางจุดที่ไม่ได้อธิบายอย่างละเอียดโดยคนอื่น

ในขณะที่เป็นเรื่องปรกติที่จะใช้ประตูที่ไม่มีบัฟเฟอร์เป็นตัวขยายสัญญาณเชิงเส้นมีข้อบกพร่องเล็กน้อยที่ต้องคำนึงถึง

บางทีสิ่งสำคัญที่สุดคือพารามิเตอร์ที่ระบุไว้ไม่ดี ในขณะที่แผ่นข้อมูลเครื่องขยายเสียงมีข้อมูลจำนวนมากเกี่ยวกับคุณสมบัติเครื่องขยายเสียงคุณมักจะพบข้อมูลดังกล่าวเพียงเล็กน้อยในแผ่นข้อมูลของอุปกรณ์ตรรกะ นอกจากนี้ยังมีข้อผูกมัดที่จะต้องมีความคลาดเคลื่อนและความแปรปรวนมากกว่าสภาพการทำงาน (แรงดันไฟฟ้า, อุณหภูมิ, ... ) ดังนั้นคุณอาจต้องการใช้อุปกรณ์เหล่านั้นในวงจรที่สามารถทนต่อการเปลี่ยนแปลงขนาดใหญ่เช่นนั้นได้

อินเวอร์เตอร์แบบไม่มีบัฟเฟอร์มีอยู่ในตระกูลลอจิกแบบ CMOS ที่แตกต่างกันเริ่มต้นจากรุ่นเก่า 4000 ซีรี่ส์ที่ปลายช้าจนถึงช่วง LVC ที่ค่อนข้างเร็ว คุณสมบัติของพวกเขาแตกต่างกันอย่างชัดเจน คุณต้องการดูการใช้พลังงานโดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจากการดึงพลังงานมีแนวโน้มที่จะสูงสุดเมื่อแรงดันอินพุตอยู่ระหว่างช่วงกลางถึงสูงและต่ำซึ่งทรานซิสเตอร์ทั้งสองทำงานพร้อมกัน สิ่งนี้จะขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าในการทำงานด้วย มันเลวร้ายยิ่งไดรฟ์เอาต์พุตที่เร็วและสูงกว่าที่ตระกูลลอจิกคือ นี่คือเหตุผลที่ 4000 ซีรี่ส์มีความอ่อนโยนในขณะที่ตรรกะประเภท LVC นั้นยากที่จะจัดการได้

ขึ้นอยู่กับตระกูลของลอจิกอาจมีเวลาสูงสุดในการเพิ่ม / ลดสัญญาณที่ระบุซึ่งบ่งชี้ว่าระดับอินพุตไม่ควรอยู่ระหว่างสูงและต่ำเป็นเวลานาน หากคุณละเมิดสิ่งนี้คุณไม่เพียง แต่ได้รับการใช้พลังงานสูงคุณอาจพบปัญหาเสถียรภาพ มันอาจส่งผลกระทบต่อความน่าเชื่อถือของวงจรเนื่องจากความร้อนที่เกิดขึ้นในทรานซิสเตอร์ขนาดเล็กพอสมควร แอปพลิเคชั่น TI SCBA004 มีอะไรให้พูดมากกว่านี้

Bottomline คือ: คุณสามารถใช้อุปกรณ์เหล่านั้นสำหรับแอปพลิเคชันเชิงเส้นหากคุณตระหนักถึงข้อ จำกัด ที่ร้ายแรง ราคาต่ำของพวกเขาอาจจะน่าสนใจ แต่ข้อเสียที่มาพร้อมกับวงจรที่เรียบง่ายมีความสำคัญ


0

วงจรรวมระบบดิจิตอลดำเนินการในภูมิภาค 'เชิงเส้น' ของพวกเขาอาจไม่เชิงเส้น หลายทศวรรษก่อนฉันออกแบบผลิตภัณฑ์โดยใช้ชิปอินเวอร์เตอร์ CD4xxx ในเครื่องกำเนิดสัญญาณวงแหวน ผู้ผลิตทดแทนชิ้นส่วนดิจิตอล "ทันสมัย" (IIRC HCT) ซึ่งได้รับความเดือดร้อนจากการยิงเมื่อดำเนินการในช่วง 'เชิงเส้น' (ทรานซิสเตอร์แบบเอาท์พุทแบบดึงขึ้นและดึงลงเปิดพร้อมกัน) ไม่จำเป็นต้องพูดว่าชิปนั้นสูบบุหรี่ ;-)

ดังนั้นเพื่อตอบคำถามของคุณโดยทั่วไปแล้วรูปแบบที่ไม่ดีคือการใช้ไอซีดิจิตอลเป็นอุปกรณ์เชิงเส้นยกเว้นในกรณีที่หายากมาก!


-2

โซลูชัน goto CMOS ของฉัน

ป้อนคำอธิบายรูปภาพที่นี่

  • ลอจิก I / O ทั้งหมดมีลักษณะแบบแอนะล็อกในภูมิภาคเชิงเส้นระหว่าง Vdd & Vss

  • ครอบครัวลอจิกสามารถใช้งานได้เนื่องจากความเข้าใจว่าแอมพลิฟายเออร์เชิงเส้นป้อนกลับเชิงลบต้องมีระยะขอบที่ดีที่อัตราขยายที่เป็นเอกภาพ

- เพิ่ม

  • 74HCT หรือ 74xxT ใด ๆ เป็นเกณฑ์เข้า TTL ที่ 1.5V แทน Vdd / 2 ซึ่งเป็นสิ่งเดียวกันเมื่อคุณไปที่ Vdd = 3V ด้วยการให้น้ำหนักกับตัวเองพร้อมกับลบ R feedback วงจรหน้าที่ส่งออกจะเลื่อนไปถึง 1.5Vdc ที่อินพุตดังนั้นขึ้นอยู่กับระดับสัญญาณที่อาจทริกเกอร์ไดโอดหนีบ ESD กับพื้น

  • ไม่ใช่ทุกคนที่จะประสบความสำเร็จเป็นครั้งที่ 1 เช่นเดียวกับการออกแบบเชิงเส้นและ RF โดยไม่ต้องรับรู้ถึงความต้านทานของวงจรการจัดหาและการจัดวางอินเวอร์เตอร์บัฟเฟอร์ CMOS แบบ CMOS ราคาถูกและสกปรก อินเวอร์เตอร์


การให้น้ำหนักด้วยตนเองนั้นไม่สำคัญเมื่ออินพุตเป็น AC ควบคู่ แต่ตัวเลือกอินเวอร์เตอร์บัฟเฟอร์ที่เพิ่มความท้าทายทางเทคนิค ความไวต่อการแกว่งเพิ่มขึ้นเมื่ออัตราการหมุนวนของวงปิดต่ำกว่าอัตราขยายวงเปิดมากเนื่องจากไม่ได้รับการชดเชยภายในเช่น Op Amps (OA)

  • อินเวอร์เตอร์แบบบัฟเฟอร์จะได้รับการปฏิบัติเหมือนแอมป์วิดีโอกำลังสูงกว่าโอเอ

อัตราขยายแบบวนรอบสำหรับอินเวอร์เตอร์แบบ 1 ขั้นตอนหรือแบบไม่มีบัฟเฟอร์ (UB) คือขั้นต่ำ 20dB และ> 60dB สำหรับแบบบัฟเฟอร์ (B) 3 ขั้นตอน เมื่อใช้ Zf / Zs สำหรับการป้อนกลับเชิงลบเราจะต้อง AC เพิ่มอินพุตและเอาต์พุตเช่นเดียวกับใน CMOS Supply Op Amp เดียว Zf มักจะถูกเลือกด้วยความต้านทานสูงสำหรับการให้น้ำหนักด้วยตนเอง DC กระแสต่ำของอินพุต แต่สูงเกินไปจะทำให้เวลาเปิดช้าสำหรับแรงดันอินพุตที่ตกตะกอนเป็น Vdd / 2 จาก R2C1

แผนผัง

จำลองวงจรนี้ - แผนผังที่สร้างโดยใช้CircuitLab

อินเวอร์เตอร์บัฟเฟอร์ (B) มีอัตราขยายเป็นเส้นตรง db เป็น 3 เท่าของตัวขยายสัญญาณแบบไม่บัฟเฟอร์ (UB) ดังนั้นแอมป์วิดีโอมีพฤติกรรมที่น่าสนใจหากคุณต้องการอัตราขยาย 60dB พร้อมความต้านทาน Zout จาก 20 ถึง 500 โอห์ม โดยที่ Zout = RdsOn = Vol / Iol @ ~ x mA

รายละเอียดอื่น ๆ

จากประวัติของตรรกะลอจิกตั้งแต่ปี 1970 มีคำนำหน้าตระกูลมาตรฐานหลายสิบแบบเช่น {4xxx, 'HCxxx &' ALCxx} คุณสมบัติอะนาล็อกทั้งหมดไม่ได้ระบุไว้โดยตรงในเอกสารข้อมูลเช่น RdsOn, Ciss และ Coss แต่เรารู้ว่าการ จำกัด กระแสเหล่านี้และแบนด์วิดท์สัญญาณขนาดใหญ่ คุณอาจชื่นชมพฤติกรรมของ FET เช่น RdsOn กับ Vgs ถูกกำหนดโดยช่วง Vss และแต่ละรุ่นอาจเพิ่มความเร็วลดการใช้พลังงานที่ความเร็วหรือทั้งสองอย่าง สิ่งนี้ส่งผลให้การพิมพ์หินมีขนาดเล็กลงลดช่วง Vdd และลดค่า RdsOn driver

  • คุณอาจทราบแล้วว่า RdsOn นั้นค่อนข้างคงที่ (50%) สำหรับตระกูลซีรีย์ 54/74 CMOS แต่ละตระกูลซึ่งขึ้นอยู่กับ Vss เนื่องจาก Vgs ที่เพิ่มขึ้นตามธรรมชาติจะลด RdsOn และ ช่วง Vss ต่ำนั้นถูก จำกัด ด้วยความเร็วจากการเพิ่มขึ้นของ RdsOn อย่างมีนัยสำคัญและช่วงที่สูงขึ้นจะทำให้เกิดกระแสการนำข้ามและการกระจายพลังงาน

ผมคาดว่า ( แต่ยังไม่ได้ยืนยัน) ทุกคนในครอบครัวตรรกะที่สามารถใช้เป็นเครื่องขยายเสียงเชิงเส้น แต่ละแอมป์เชิงเส้น ต้องปฏิบัติตามกฎเพื่อให้เป็นเชิงเส้นและมีเสถียรภาพ อย่างไรก็ตามขึ้นอยู่กับการเหนี่ยวนำเลย์เอาต์และอิมพีแดนซ์อื่น ๆ ที่มีผลต่อระยะเข้าเฟสของความสามัคคีการชดเชยภายนอกไปยังเสาลำดับที่ 1 อาจมีความจำเป็นเนื่องจากวิธีการออกแบบแอมป์แอมป์

เพื่อผลลัพธ์ที่ดีที่สุดนักออกแบบจะต้องมีความคิดที่ดีเกี่ยวกับความต้านทาน * Z (f) ของวงจรเทียบกับความถี่แม้ว่าจะมีความอดทนที่กว้างถึง ~ +/- 50% สำหรับซัพพลายเออร์ทั้งหมด อย่าประมาทว่าสิ่งเหล่านี้อาจมีการเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญดังนั้นรายชื่อผู้จำหน่ายที่ได้รับอนุมัติของคุณ AVL จะต้องรวมเฉพาะชิ้นส่วนที่คุณตรวจสอบแล้วสำหรับแต่ละชิ้นส่วนในการออกแบบ ไม่เช่นนั้นคุณจะต้องค้นหาวิธีหลีกเลี่ยงปัญหาเหล่านี้ด้วยการออกแบบและทดสอบ แต่โดยทั่วไปฉันได้พบรายละเอียดของลอจิกที่สะท้อนถึงขีด จำกัด RdsOn (หรือไดรเวอร์ ESR) นั้นสอดคล้องกันสำหรับผู้ขายทั้งหมด

  • สิ่งเหล่านี้รวมถึงแหล่งที่มาประมาณค่า Z (f) ของกำลังและตัวต้านทานของไดรเวอร์เป็น << Zout, รูปแบบและตัวแยกแคปที่ความถี่การใช้งานสำหรับการจัดหาข้ามชิปแต่ละตัว และ CMOS Zout = RdsOn out เหตุผลที่อินเวอร์เตอร์ unbuffered มีเสถียรภาพมากขึ้นและแนะนำว่าเป็นเพราะการเพิ่มขึ้นของขั้นตอนเดียวมักจะเพียงพอสำหรับคริสตัล oscillators (XO) เมื่อ self-DC biased กับข้อเสนอแนะ 1 ~ 10M อาร์

BW0.35เสื้อR และทำให้มีความเสถียรน้อยลงด้วยความคิดเห็นเพิ่มเติม H

ผู้ที่สามารถเรียนรู้รู้ได้ง่าย Bode Plots ระยะขอบเฟสของแอมป์ 1 vs 3, Vol / Iol สำหรับแต่ละตระกูล Logic เทียบกับ Vcc มิฉะนั้นจะไม่มีคำอธิบายง่ายๆ CD4xxx ทำงานได้ดี 3 ~ 18V คนอื่น ๆ ทั้งหมดควรทำงานคล้ายกันโดยการปรับขนาด Vcc / RdsOn สำหรับการโหลดความต้านทานต่ำ (~ 50), Pd ในไดรเวอร์สามารถลดลงอย่างมากโดยการมีเพศสัมพันธ์ AC 74ALCxx มีประมาณ 25 Ohms @ 3.3V, 74HCxx มีประมาณ 50 Ohms +/- 50% @ 5V มากกว่าอุณหภูมิ


ช่างเป็นการขาดความกตัญญูสำหรับ Analog Wisdom tisk tisk
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

เกี่ยวกับการมีเพศสัมพันธ์ AC .. นี่เป็นเรื่องเล็กน้อย แต่ก็ยัง ฉันกำลังพยายามสร้างเครื่องตรวจจับพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัสกับประตู XOR เป็นเครื่องตรวจจับเฟส สัญญาณอินพุทเป็น 3.3V square wave จาก CMOS oscillator ปัญหาคือวงจร RLC แบบเปลี่ยนเฟสจะลบระดับ DC ออกจากสัญญาณอินพุต ดังนั้นฉันสามารถเสียบสัญญาณ AC-coupled เข้ากับประตู XOR ได้หรือไม่?
อาร์คิมีดีส

1
ไม่ความเอนเอียงตนเอง DC จะติดตามไปยังการตรวจจับเฟส Null หรือ 50% โดยเฉลี่ย หรือ Vdd / 2 วิธีที่เหมาะสมคือการสร้างพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัส f / 2 และใช้ LPF เพื่อควบคุม VCO โดยใช้ DC diode reverse diode AC ควบคู่ไปกับ resonator สำหรับ“ DIY” PLL vs IC Detector แต่ขึ้นอยู่กับ BW ส่วนเกินนั้นทำได้ดีเช่นเดียวกับ FM Limiter ถ้าไม่ใช่ให้ใช้ตัว จำกัด ICL หรือ ECL
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

ดูเหมือนคน -3 คนที่มีทัศนคติด้านลบ
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
โดยการใช้ไซต์ของเรา หมายความว่าคุณได้อ่านและทำความเข้าใจนโยบายคุกกี้และนโยบายความเป็นส่วนตัวของเราแล้ว
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.