Je viens d'apprendre que les onduleurs CMOS numériques peuvent être configurés pour exécuter des fonctions analogiques (notamment des oscillateurs et des amplificateurs). Cependant, de nombreux exemples tendent à privilégier les anciens appareils de la série CD4000. De plus, cette note d'application mentionne dans la section 3 que l'utilisation d'onduleurs tamponnés peut entraîner des problèmes de stabilité.

1. Quelles familles logiques peuvent être configurées de manière fiable pour effectuer des opérations linéaires? Quelles familles éviter?
2. Les circuits de protection "spéciaux" tels que les E / S tolérantes 5 V pour AHC et LVC causeront-ils des problèmes de stabilité supplémentaires ou empêcheront-ils un fonctionnement linéaire?
3. Que se passerait-il si j'essayais de construire un circuit linéaire à l'aide d'un appareil compatible TTL (HCT, ACT, AHCT)?
4. Est-il considéré comme une mauvaise pratique d'utiliser des circuits intégrés numériques dans leur région linéaire?

Toutes les familles logiques aiment utiliser des onduleurs tamponnés, car ils sont plus fiables et consomment moins d'énergie dans les applications numériques. Cependant, les onduleurs sans tampon sont utiles pour construire des oscillateurs à cristal, ils existent donc dans de nombreuses familles; recherchez 74xx1GU04.

Une E / S tolérante à 5 V n'a pas de diode de protection ESD vers VCC, elle a donc tendance à avoir moins de capacité et déforme moins le signal si elle dépasse VCC.

Les entrées compatibles TTL ont un seuil de commutation inférieur, elles ne sont donc plus symétriques entre VCC et la masse.

Les portes sans tampon sont destinées à être utilisées dans des circuits linéaires; il est peu probable que les portes tamponnées fonctionnent.

Une autre note d'application utile: Comprendre les caractéristiques (non) tamponnées du CD4xxx .

Vous devez vous rappeler que les portes logiques comme les onduleurs ne sont en réalité que de simples circuits analogiques, des comparateurs, conçus pour fonctionner correctement avec un signal d'entrée analogique qui a essentiellement deux états stables, haut et bas.

En tant que tel, tout comme vous pouvez utiliser des amplificateurs opérationnels comme périphériques logiques, les périphériques logiques simples peuvent également être utilisés dans un rôle analogique.

Les onduleurs en particulier remplissent bien ce rôle, car ce que vous avez vraiment est un simple comparateur / amplificateur opérationnel avec la broche négative exposée en entrée et la broche positive essentiellement "connectée" à un demi-rail. (Ou un autre point pour TTL, etc.) Parce qu'ils exposent la broche négative, vous pouvez utiliser des boucles de rétroaction négatives de la même manière que vous le faites avec les amplis opérationnels. La logique non inverseuse est moins utile.

La façon dont ils fonctionnent dans un rôle analogique dépend bien sûr de la nature de la porte particulière. Les appareils plus anciens sont des transistors appariés très simples, la variété tamponnée a plus d'interne qui les rendent moins linéaires.

Les appareils logiques ont cependant tendance à être en circuit ouvert, ou pire, à tirer lorsque le signal est entre des niveaux logiques, donc les utiliser comme simples amplificateurs pour les signaux basse fréquence n'est pas une bonne idée.

Cependant, en les utilisant dans le cadre d'un circuit à retard ou en tant que pilote dans un oscillateur, ils fonctionnent bien, surtout si la porte est un déclencheur Schmitt avec une hystérésis intégrée.

J'ai voulu tardivement ajouter quelques points qui n'ont pas été développés par d'autres.

S'il est courant d'utiliser des portes non tamponnées comme amplificateurs linéaires, il y a quelques inconvénients qui doivent être pris en compte.

Peut-être plus important encore, les paramètres sont mal spécifiés. Alors que la fiche technique d'un amplificateur contient beaucoup d'informations sur les propriétés de l'amplificateur, vous trouverez généralement très peu de telles informations dans la fiche technique d'un dispositif logique. De plus, il y aura forcément de grandes tolérances et une grande variabilité dans les conditions de fonctionnement (tension de fonctionnement, température, ...). Par conséquent, vous ne souhaiterez peut-être utiliser ces appareils que dans des circuits qui peuvent tolérer de telles variations.

Les onduleurs sans tampon sont disponibles dans diverses familles logiques CMOS différentes, à partir de l'ancienne série 4000 sur l'extrémité lente, jusqu'à la gamme LVC assez rapide. Leurs propriétés diffèrent sensiblement. Vous voulez regarder de près la consommation d'énergie en particulier, car la consommation d'énergie a tendance à être maximale lorsque la tension d'entrée est à mi-chemin entre haute et basse, où les deux transistors conduisent simultanément. Cela dépendra également beaucoup de la tension de fonctionnement. Cela empire avec le lecteur de sortie plus rapide et plus élevé de la famille logique. C'est pourquoi la série 4000 est assez bénigne, alors que la logique de type LVC est beaucoup plus difficile à gérer.

Selon la famille logique, il peut également y avoir un temps de montée / descente de signal maximal spécifié, ce qui indique que le niveau d'entrée n'est pas censé rester entre haut et bas pendant longtemps. Si vous ne respectez pas cela, vous n'obtenez pas seulement une consommation d'énergie élevée, vous pouvez également rencontrer des problèmes de stabilité. Cela pourrait même affecter la fiabilité du circuit, en raison de la chaleur générée dans une paire de transistors assez petite. La note d'application TI SCBA004 a plus à dire à ce sujet.

En résumé, vous pouvez utiliser ces appareils pour des applications linéaires si vous êtes conscient des graves limitations. Leur faible prix peut être attrayant, mais les inconvénients qui accompagnent le circuit simple sont substantiels.

Les circuits intégrés numériques opérés dans leur région «linéaire» peuvent ne pas être aussi linéaires. Il y a quelques décennies, j'ai conçu un produit utilisant une puce inverseuse CD4xxx dans un oscillateur en anneau. Le fabricant a substitué une partie numérique "moderne" (IIRC HCT), qui a subi des tirs lors de son fonctionnement dans sa gamme "linéaire" (transistors de sortie pull-up et pull-down allumés en même temps). Inutile de dire que la puce est devenue chaude ;-)

Donc, pour répondre à votre question, il est généralement mauvais d'utiliser des circuits intégrés numériques comme appareils linéaires, sauf dans de très rares circonstances!

Ma solution CMOS goto

• Toutes les E / S logiques ont des caractéristiques analogiques dans la région linéaire entre Vdd et Vss.

• N'importe quelle famille Logic peut être utilisée, étant entendu que les amplificateurs linéaires à rétroaction négative doivent avoir une bonne marge de phase avec un gain unitaire et une sensibilité aux Vdd et aux fournisseurs.

- Ajoutée

• le 74HCT ou n'importe quel 74xxT est compatible avec le seuil d'entrée TTL à 1,5 V au lieu de Vdd / 2, ce qui est la même chose lorsque vous arrivez à Vdd = 3V. Avec l'auto-polarisation avec rétroaction R négative, le rapport cyclique de sortie se déplacera en essayant d'atteindre 1,5 Vdc à l'entrée, donc en fonction du niveau du signal qui peut déclencher la mise à la terre des diodes de serrage ESD

• Tout le monde ne réussira pas la première fois, tout comme dans la conception linéaire et RF sans pleine connaissance de l'impédance du circuit, de l'alimentation et de la disposition, l'onduleur tamponné CMOS bon marché et sale a un produit de bande passante de gain incroyable de> 150 MHz avec un gain de> 60 dB pour quelques centimes par onduleur.

L'auto-polarisation est triviale lorsque l'entrée est couplée en CA, mais le choix d'un onduleur tamponné augmente le défi technique. La sensibilité à l'oscillation augmente, lorsque le gain en boucle fermée est beaucoup plus faible que le gain en boucle ouverte car il n'est pas compensé en interne comme les amplificateurs opérationnels (OA).

• Les onduleurs tamponnés sont traités plus comme des amplificateurs vidéo à gain élevé qu'un OA.

Le gain en boucle ouverte pour un onduleur à 1 étage ou sans tampon (UB) est de 20 dB minimum et> 60 dB pour les étages tamponnés (B) à 3 étages. Lorsque vous utilisez Zf / Zs, pour une rétroaction négative, vous devez coupler AC les entrées et sorties comme dans un seul amplificateur opérationnel CMOS. Le Zf est généralement sélectionné avec une résistance élevée pour la polarisation auto-CC à faible courant de l'entrée, mais trop élevé entraînera un temps d'activation lent pour que la tension d'entrée s'établisse à Vdd / 2 à partir de R2C1.

^{simuler ce circuit - Schéma créé en utilisant CircuitLab}

Les onduleurs tamponnés (B) ont 3 fois le gain linéaire en dB de la fonction non tamponnée (UB), de sorte que les amplificateurs vidéo ont des comportements intéressants si vous avez besoin d'un gain de 60 dB avec Zout de 20 à 500 Ohms d'impédance du pilote. Où Zout = RdsOn = Vol / Iol @ ~ x mA

Autres détails

Compte tenu de l'histoire de la logique CMOS depuis 1970, il existe des dizaines de préfixes de famille standard comme {4xxx, 'HCxxx &' ALCxx}. Toutes les caractéristiques analogiques ne sont pas spécifiées directement dans les fiches techniques, telles que RdsOn, Ciss et Coss, mais nous savons qu'elles limitent le drain de courant et la large bande passante du signal. Vous pouvez apprécier le comportement FET tel que RdsOn vs Vgs est déterminé par la plage Vss et que chaque génération augmente la vitesse, réduit la consommation d'énergie à la vitesse ou les deux. Cela a entraîné une lithographie plus petite, des plages de Vdd plus faibles et des valeurs de pilote RdsOn plus faibles.

• Vous savez peut-être déjà que RdsOn est assez cohérent (50%) pour chaque famille de séries CMOS 54/74 qui dépend de Vss. Depuis l'augmentation de Vgs abaisse naturellement RdsOn an. La faible plage Vss est limitée par la vitesse de l'augmentation significative de RdsOn et la plage supérieure augmente le courant de conduction croisée et la dissipation de puissance.

J'attends (mais je n'ai pas vérifié) que chaque famille logique peut être utilisée comme un amplificateur linéaire . Chaque ampli linéaire. doit suivre des règles pour rendre linéaire et stable. Cependant, en fonction de l'inductance de configuration et d'autres impédances affectant la marge de phase du gain unitaire, une compensation externe à un pôle de premier ordre peut être nécessaire en fonction de la conception des amplificateurs opérationnels.

Pour de meilleurs résultats, le concepteur doit avoir une bonne idée de toutes les impédances * Z (f) du circuit en fonction de la fréquence même s'il existe une large tolérance de ~ +/- 50% pour tous les fournisseurs. Ne sous-estimez jamais que ceux-ci peuvent changer de manière significative, donc votre liste de fournisseurs approuvés, AVL ne doit inclure que ceux que vous avez vérifiés pour chaque numéro de pièce dans n'importe quelle conception. Sinon, vous devez comprendre comment éviter ces problèmes par la conception et les tests. Mais en général, j'ai trouvé que les spécifications logiques qui reflètent les limites RdsOn (ou ESR du pilote) sont cohérentes pour tous les fournisseurs.

• Ceux-ci * incluent la source d'une estimation de Z (f) de la puissance et de l'impédance du pilote à << Zout, des dispositions et des bouchons de découplage à la bande passante de fonctionnement pour l'alimentation sur chaque puce. et le CMOS Zout = RdsOn out. La raison pour laquelle les onduleurs sans tampon étaient plus stables et recommandés est que le gain à un étage est normalement adéquat pour les oscillateurs à cristal (XO) lorsqu'ils sont polarisés en CC avec 1 à 10 M de rétroaction R.

$f_{BW}$$0.35t_R$ et donc moins de stabilité avec plus de rétroaction H (s).

Ceux qui peuvent facilement apprendre, le savent déjà; Bode Plots, marge de phase de 1 vs 3 amplis d'étage, Vol / Iol pour chaque famille logique vs Vcc. Sinon, aucune explication simple n'est possible. CD4xxx fonctionnait bien 3 ~ 18V, tous les autres devraient fonctionner de manière similaire en mettant à l'échelle Vcc / RdsOn. Pour les charges à faible impédance (~ 50), le Pd dans le pilote peut être considérablement réduit par couplage AC. 74ALCxx a environ 25 Ohms @ 3,3 V, 74HCxx a environ 50 Ohms +/- 50% @ 5V au-dessus de la température.