Acabo de enterarme de que los inversores CMOS digitales se pueden configurar para realizar funciones analógicas (especialmente osciladores y amplificadores). Sin embargo, muchos de los ejemplos tienden a favorecer los dispositivos viejos de la serie CD4000. Además, esta nota de aplicación menciona en la Sección 3 que el uso de inversores amortiguados puede causar problemas de estabilidad.

1. ¿Qué familias lógicas se pueden configurar de manera confiable para realizar operaciones lineales? ¿Qué familias se deben evitar?
2. ¿Los circuitos de protección "especiales", como las E / S tolerantes a 5V para AHC y LVC, causarán problemas de estabilidad adicionales o evitarán la operación lineal?
3. ¿Qué pasaría si intentara construir un circuito lineal utilizando un dispositivo compatible con TTL (HCT, ACT, AHCT)?
4. ¿Se considera una mala práctica utilizar circuitos integrados digitales en su región lineal?

A todas las familias lógicas les gusta usar inversores amortiguados, porque son más confiables y usan menos energía en aplicaciones digitales. Sin embargo, los inversores sin búfer son útiles para construir osciladores de cristal, por lo que existen en muchas familias; buscar 74xx1GU04.

Una E / S tolerante a 5 V no tiene diodo de protección ESD para VCC, por lo que tiende a tener menos capacitancia y distorsiona menos la señal si excede VCC.

Las entradas compatibles con TTL tienen un umbral de conmutación más bajo, por lo que ya no son simétricas entre VCC y tierra.

Las puertas sin búfer están destinadas a ser utilizadas en circuitos lineales; Es poco probable que las puertas protegidas funcionen en absoluto.

Otra nota de aplicación útil: Comprensión de (des) memoria intermedia características CD4xxx .

Debe recordar que las puertas lógicas como los inversores son realmente simples circuitos analógicos, comparadores, diseñados para funcionar bien con una señal de entrada analógica que básicamente tiene dos estados estables, alto y bajo.

Como tal, al igual que puede usar amplificadores operacionales como dispositivos lógicos, los dispositivos lógicos simples también pueden usarse en una función analógica.

Los inversores, en particular, cumplen este rol muy bien, ya que lo que realmente tiene es un simple comparador / amplificador operacional con el pin negativo expuesto como entrada y el pin positivo básicamente "conectado" al medio riel. (O algún otro punto para TTL, etc.) Debido a que exponen el pin negativo, puede usar bucles de retroalimentación negativa de la misma manera que lo hace con amplificadores operacionales. La lógica no inversora es menos útil.

Por supuesto, qué tan bien funcionan en un rol análogo depende de la naturaleza de la puerta en particular. Los dispositivos más antiguos son transistores emparejados muy simples, la variedad tamponada tiene más componentes internos que los hacen menos lineales.

Sin embargo, los dispositivos lógicos tienden a abrirse en circuito abierto, o peor, a dispararse, cuando la señal está entre niveles lógicos, por lo que no es una buena idea usarlos como amplificadores simples para señales de baja frecuencia.

Sin embargo, utilizándolos como parte de un circuito de retardo o como el controlador en un oscilador, funcionan bien especialmente si la puerta es un disparador Schmitt con histéresis incorporada.

Tardíamente quería agregar algunos puntos que no fueron elaborados por otros.

Si bien es habitual utilizar puertas sin búfer como amplificadores lineales, hay algunos inconvenientes que deben tenerse en cuenta.

Quizás lo más importante, los parámetros están mal especificados. Si bien la hoja de datos de un amplificador tiene mucha información sobre las propiedades del amplificador, generalmente encontrará muy poca información en la hoja de datos de un dispositivo lógico. Además, es probable que haya grandes tolerancias y variabilidad sobre las condiciones de operación (voltaje de operación, temperatura, ...). Por lo tanto, es posible que solo desee emplear esos dispositivos en circuitos que pueden tolerar variaciones tan grandes.

Los inversores sin búfer están disponibles en varias familias lógicas CMOS diferentes, comenzando con la antigua serie 4000 en el extremo lento, hasta el rango LVC bastante rápido. Sus propiedades difieren notablemente. Desea observar de cerca el consumo de energía en particular, ya que el consumo de energía tiende a ser máximo cuando el voltaje de entrada es de rango medio entre alto y bajo, donde ambos transistores se conducen simultáneamente. Esto también dependerá mucho del voltaje de funcionamiento. Empeora cuanto más rápido y más alto es el rendimiento de la familia lógica. Es por eso que la serie 4000 es bastante benigna, mientras que la lógica de tipo LVC es mucho más difícil de manejar.

Dependiendo de la familia lógica, también puede haber un tiempo máximo de subida / bajada de señal especificado, lo que indica que no se supone que el nivel de entrada permanezca entre alto y bajo durante mucho tiempo. Si viola esto, no solo obtiene un alto consumo de energía, sino que también puede tener problemas de estabilidad. Incluso podría afectar la confiabilidad del circuito, debido al calor generado en un par de transistores bastante pequeño. La nota de aplicación de TI SCBA004 tiene más que decir sobre esto.

La conclusión es: puede usar esos dispositivos para aplicaciones lineales si conoce las limitaciones serias. Su bajo precio puede ser atractivo, pero los inconvenientes que vienen con el circuito simple son sustanciales.

Los circuitos integrados digitales que funcionan en su región 'lineal' pueden no ser tan lineales. Hace algunas décadas, diseñé un producto utilizando un chip inversor CD4xxx en un oscilador en anillo. El fabricante sustituyó una parte digital "moderna" (IIRC HCT), que sufrió disparos cuando se operaba en su rango 'lineal' (los transistores de salida pull-up y pull-down se activaron al mismo tiempo). No hace falta decir que el chip se calentó ;-)

Por lo tanto, para responder a su pregunta, generalmente es una mala forma usar circuitos integrados digitales como dispositivos lineales, ¡excepto en circunstancias muy raras!

Mi solución goto CMOS

• Todas las E / S lógicas tienen características analógicas en la región lineal entre Vdd y Vss.

• Se puede usar cualquier familia lógica, dado que los amplificadores lineales de retroalimentación negativa deben tener un buen margen de fase con ganancia unitaria y sensibilidad para Vdd y los proveedores.

- Adicional

• el 74HCT o cualquier 74xxT es compatible con el umbral de entrada TTL a 1.5V en lugar de Vdd / 2, que es lo mismo cuando llega a Vdd = 3V. Con auto-polarización con retroalimentación negativa R, el ciclo de trabajo de salida cambiará tratando de alcanzar 1.5Vdc en la entrada, de modo que dependiendo del nivel de señal que pueda activar los diodos de sujeción ESD a tierra

• No todo el mundo tendrá éxito la primera vez, al igual que en el diseño lineal y de RF sin tener plena conciencia de la impedancia del circuito, el suministro y el diseño, el inversor amortiguado CMOS barato y sucio tiene un increíble producto de ancho de banda de ganancia de> 150MHz con> 60dB de ganancia por centavos por inversor.

La polarización automática es trivial cuando la entrada está acoplada a CA, pero la elección de un inversor amortiguado aumenta el desafío técnico. La sensibilidad a la oscilación aumenta cuando la ganancia de bucle cerrado es mucho más baja que la ganancia de bucle abierto, ya que no se compensa internamente como los amplificadores operacionales (OA).

• Los inversores amortiguados se tratan más como amplificadores de video de alta ganancia que como un OA.

La ganancia de bucle abierto para un inversor de 1 etapa o sin buffer (UB) es de 20dB mínimo y> 60dB para 3 etapas con buffer (B). Al usar Zf / Zs, para la retroalimentación negativa, uno debe AC ​​acoplar la entrada y las salidas como en un solo amplificador operacional CMOS de suministro. El Zf generalmente se selecciona con alta resistencia para una polarización de CC de baja corriente de la entrada, pero demasiado alto dará como resultado un tiempo de encendido lento para el voltaje de entrada que se establece en Vdd / 2 desde R2C1.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Los inversores con búfer (B) tienen 3 veces la ganancia lineal en dB de sin búfer (UB), por lo que los amplificadores de video tienen comportamientos interesantes si necesita una ganancia de 60 dB con Zout de 20 a 500 ohmios de impedancia del controlador. Donde Zout = RdsOn = Vol / Iol @ ~ x mA

Otros detalles

Dada la historia de la lógica CMOS desde 1970, hay docenas de prefijos familiares estándar como {4xxx, 'HCxxx y' ALCxx}. Todas las características analógicas no se especifican directamente en las hojas de datos, como RdsOn, Ciss y Coss, pero sabemos que estas limitan el drenaje de corriente y el gran ancho de banda de la señal. Puede apreciar que el comportamiento de FET, como RdsOn vs Vgs, está determinado por el rango de Vss y que cada generación aumenta la velocidad, disminuye el consumo de energía a la velocidad o ambos. Esto dio como resultado una litografía más pequeña, rangos de Vdd más bajos y valores de controlador RdsOn más bajos.

• Es posible que ya sepa que RdsOn es bastante consistente (50%) para cada familia de la serie 54/74 CMOS que depende de Vss. Dado que el aumento de Vgs naturalmente reduce RdsOn an. El rango bajo de Vss está limitado por la velocidad del aumento de RdsOn significativamente y el rango más alto aumenta la corriente de conducción cruzada y la disipación de potencia.

Espero (pero no he verificado) que cada familia lógica se pueda usar como un amplificador lineal . Cada amplificador lineal. debe seguir reglas para hacer lineal y estable. Sin embargo, dependiendo de la inductancia de diseño y otras impedancias que afecten el margen de fase de ganancia unitaria, puede ser necesaria una compensación externa a un polo de primer orden, ya que se sabe cómo están diseñados los amplificadores operacionales.

Para obtener los mejores resultados, el diseñador debe tener una buena idea de todas las impedancias * Z (f) del circuito frente a la frecuencia, incluso si existe una amplia tolerancia de ~ +/- 50% para todos los proveedores. Nunca subestime que estos pueden cambiar significativamente, por lo que su Lista de proveedores aprobados, AVL solo debe incluir los que haya verificado para cada número de pieza en cualquier diseño. De lo contrario, debe descubrir cómo evitar estos problemas mediante el diseño y las pruebas. Pero, en general, he encontrado que las especificaciones lógicas que reflejan los límites de RdsOn (o ESR del controlador) son consistentes para todos los proveedores.

• Estos * incluyen la fuente de una estimación de Z (f) de potencia e impedancia del controlador para ser << Zout, diseños y tapas de desacoplamiento en el ancho de banda operativo para el suministro a través de cada chip. y el CMOS Zout = RdsOn out. La razón por la que los inversores sin búfer fueron más estables y recomendados es porque la ganancia de una sola etapa normalmente es adecuada para los osciladores de cristal (XO) cuando se polariza con CC propia con retroalimentación de 1 ~ 10M R.

Supongo que tienes alguna idea de la teoría del control o las tramas de Bode. Dado que cada etapa CMOS es un inversor, los inversores con búfer tienen 3 etapas de ganancia G (s) y más desplazamiento de fase frente a$f_{BW}$~$0.35t_R$ y por lo tanto menos estabilidad con más retroalimentación H (s).

Los que pueden aprender fácilmente, ya lo saben; Gráficos de Bode, margen de fase de 1 vs 3 amplificadores de etapa, Vol / Iol para cada familia lógica vs Vcc. De lo contrario, no es posible una explicación simple. CD4xxx funcionó bien 3 ~ 18V, todos los demás deberían funcionar de manera similar al escalar Vcc / RdsOn. Para cargas de baja impedancia (~ 50), el Pd en el controlador puede reducirse considerablemente mediante el acoplamiento de CA. 74ALCxx tiene aproximadamente 25 ohmios a 3.3V, 74HCxx tiene aproximadamente 50 ohmios +/- 50% a 5V sobre la temperatura.