哪些 CMOS 逻辑系列可以安全地用于构建线性电路?

电器工程 数字逻辑 模拟 回馈
2022-01-18 23:45:47

我刚刚了解到数字 CMOS 反相器可以配置为执行模拟功能(最显着的是振荡器和放大器)。但是,许多示例倾向于支持旧的 CD4000 系列设备。此外,本应用笔记在第 3 节中提到使用缓冲反相器会导致稳定性问题。

  1. 哪些逻辑系列可以可靠地配置为执行线性运算?应该避开哪些家庭?
  2. “特殊”保护电路,例如用于 AHC 和 LVC 的 5V 容错 I/O 是否会导致额外的稳定性问题或阻止线性操作?
  3. 如果我尝试使用 TTL 兼容设备(HCT、ACT、AHCT)构建线性电路会发生什么?
  4. 在线性区域使用数字 IC 是否被认为是不好的做法?
4个回答

所有逻辑系列都喜欢使用缓冲反相器,因为它们在数字应用中更可靠且功耗更低。然而,无缓冲反相器可用于构建晶体振荡器,因此存在于许多家庭中;搜索 74xx1GU04。

一个 5 V 容限 I/O 对 VCC 没有 ESD 保护二极管,因此它往往具有较小的电容,并且如果超过 VCC,则信号失真较小。

TTL 兼容输入具有较低的开关阈值,因此它们在 VCC 和地之间不再对称。

无缓冲门用于线性电路;缓冲门根本不可能工作。

另一个有用的应用笔记:了解(未)缓冲的 CD4xxx 特性

您必须记住,像反相器这样的逻辑门实际上只是简单的模拟电路、比较器,经过专门设计,可以很好地处理基本上具有两个稳定状态(高电平和低电平)的模拟输入信号。

因此,就像您可以将运算放大器用作逻辑器件一样,简单的逻辑器件也可以用作模拟器件。

反相器特别适合这个角色,因为你真正拥有的是一个简单的比较器/运算放大器,其负引脚暴露为输入,正引脚基本上“连接”到半轨。(或 TTL 等的其他点)因为它们暴露了负引脚,所以您可以像使用运算放大器一样使用负反馈环路。非反相逻辑不太有用。

它们在模拟角色中的工作情况当然取决于特定门的性质。较旧的设备是非常简单的匹配晶体管,缓冲品种具有更多的内部结构,使其线性度降低。

然而,当信号在逻辑电平之间时,逻辑器件确实有开路的趋势,或者更糟的是,尽管将它们用作低频信号的简单放大器并不是一个好主意。

然而,将它们用作延迟电路的一部分,或用作振荡器中的驱动器,它们工作得很好,特别是如果门是施密特触发器,它内置了滞后。

我很晚才想补充一些其他人没有详细说明的观点。

虽然习惯上使用无缓冲门作为线性放大器,但必须牢记一些缺点。

也许最重要的是,参数指定得很差。虽然放大器数据表包含大量有关放大器特性的信息,但您通常在逻辑器件的数据表中发现的此类信息很少。此外,工作条件(工作电压、温度……)必然会有很大的容差和可变性。因此,您可能只想在能够承受如此大变化的电路中使用这些器件。

无缓冲反相器可用于各种不同的 CMOS 逻辑系列,从慢端的旧 4000 系列开始,一直到相当快的 LVC 范围。它们的性质明显不同。您尤其需要仔细查看功耗,因为当输入电压处于高低之间的中间范围时,功耗往往达到最大值,此时两个晶体管同时导通。这也将非常依赖于工作电压。逻辑系列的输出驱动越快,输出驱动就越糟糕。这就是为什么 4000 系列相当温和,而 LVC 类型的逻辑更难处理的原因。

根据逻辑系列,还可能有一个指定的最大信号上升/下降时间,这表明输入电平不应长时间保持在高低之间。如果违反这一点,您不仅会获得高功耗,还可能会遇到稳定性问题。由于一对相当小的晶体管中产生的热量,它甚至可能影响电路的可靠性。TI 应用笔记 SCBA004 对此有更多说明。

底线是:如果您意识到严重的限制,您可以将这些设备用于线性应用程序。它们的低价可能很有吸引力,但简单电路带来的缺点是巨大的。

在其“线性”区域运行的数字 IC 可能不是那么线性。几十年前,我在环形振荡器中使用 CD4xxx 逆变器芯片设计了一个产品。制造商替换了“现代”数字部件 (IIRC HCT),该部件在其“线性”范围内工作时会发生击穿(上拉和下拉输出晶体管同时开启)。不用说,芯片变得很热;-)

因此,要回答您的问题,除非在极少数情况下,否则将数字 IC 用作线性器件通常是不好的形式!