Alle Logikfamilien verwenden gerne gepufferte Inverter, weil diese zuverlässiger sind und weniger Strom in digitalen Anwendungen verbrauchen. Ungepufferte Inverter sind jedoch nützlich, um Kristalloszillatoren zu bauen, daher gibt es sie in vielen Familien; suchen Sie nach 74xx1GU04.

Ein 5-V-toleranter E/A hat keine ESD-Schutzdiode zu VCC, daher hat er tendenziell weniger Kapazität und verzerrt das Signal weniger, wenn es VCC überschreitet.

TTL-kompatible Eingänge haben eine niedrigere Schaltschwelle, sind also nicht mehr symmetrisch zwischen VCC und Masse.

Ungepufferte Gatter sollen in linearen Schaltungen verwendet werden; Es ist unwahrscheinlich, dass gepufferte Gates überhaupt funktionieren.

Ein weiterer nützlicher Anwendungshinweis: Verstehen der (un)gepufferten CD4xxx-Eigenschaften .

Sie müssen bedenken, dass Logikgatter wie Inverter eigentlich nur einfache analoge Schaltungen sind, Komparatoren, die darauf zugeschnitten sind, gut mit einem analogen Eingangssignal zu arbeiten, das im Grunde zwei stabile Zustände hat, hoch und niedrig.

So wie Sie Operationsverstärker als Logikgeräte verwenden können, können auch einfache Logikgeräte in einer analogen Rolle verwendet werden.

Insbesondere Wechselrichter erfüllen diese Rolle gut, da Sie wirklich einen einfachen Komparator / Operationsverstärker haben, bei dem der negative Pin als Eingang freiliegt und der positive Pin im Grunde mit der Halbschiene "verbunden" ist. (Oder ein anderer Punkt für TTL usw.) Da sie den negativen Pin freilegen, können Sie negative Rückkopplungsschleifen genauso verwenden wie mit Operationsverstärkern. Nicht invertierende Logik ist weniger nützlich.

Wie gut sie in einer analogen Rolle funktionieren, hängt natürlich von der Art des jeweiligen Gates ab. Ältere Geräte sind sehr einfach angepasste Transistoren, die gepufferte Variante hat mehr Einbauten, die sie weniger linear machen.

Logikgeräte neigen jedoch zu Unterbrechungen oder, schlimmer noch, zu Durchschlägen, wenn das Signal zwischen Logikpegeln liegt, sodass es keine gute Idee ist, sie als einfache Verstärker für Niederfrequenzsignale zu verwenden.

Wenn Sie sie jedoch als Teil einer Verzögerungsschaltung oder als Treiber in einem Oszillator verwenden, funktionieren sie gut, insbesondere wenn das Gate ein Schmitt -Trigger mit eingebauter Hysterese ist.

Ich wollte nachträglich ein paar Punkte hinzufügen, die von anderen nicht ausgeführt wurden.

Obwohl es üblich ist, ungepufferte Gatter als lineare Verstärker zu verwenden, gibt es einige Nachteile, die beachtet werden müssen.

Am wichtigsten ist vielleicht, dass die Parameter schlecht spezifiziert sind. Während ein Verstärker-Datenblatt viele Informationen über die Verstärkereigenschaften enthält, finden Sie im Datenblatt eines Logikbausteins normalerweise nur sehr wenige solcher Informationen. Darüber hinaus gibt es zwangsläufig große Toleranzen und Schwankungen über die Betriebsbedingungen (Betriebsspannung, Temperatur, ...). Daher möchten Sie möglicherweise nur solche Geräte in Schaltungen einsetzen, die solch große Schwankungen tolerieren können.

Ungepufferte Inverter sind in verschiedenen CMOS-Logikfamilien erhältlich, beginnend mit der alten 4000er-Serie am langsamen Ende bis hin zur recht schnellen LVC-Reihe. Ihre Eigenschaften unterscheiden sich deutlich. Besonders die Leistungsaufnahme sollten Sie genau unter die Lupe nehmen, denn die Leistungsaufnahme ist in der Regel am höchsten, wenn die Eingangsspannung im mittleren Bereich zwischen hoch und niedrig liegt, wo beide Transistoren gleichzeitig leiten. Dies wird auch sehr von der Betriebsspannung abhängen. Es wird schlimmer, je schneller und leistungsstärker die Logikfamilie ist. Aus diesem Grund ist die 4000-Serie ziemlich harmlos, während die Logik vom LVC-Typ viel schwieriger zu handhaben ist.

Je nach Logikfamilie kann es auch eine festgelegte maximale Anstiegs-/Abfallzeit des Signals geben, die darauf hinweist, dass der Eingangspegel nicht lange zwischen High und Low bleiben soll. Wer dagegen verstößt, bekommt nicht nur einen hohen Stromverbrauch, sondern kann auch Stabilitätsprobleme bekommen. Es könnte sogar die Zuverlässigkeit der Schaltung aufgrund der in einem ziemlich kleinen Paar von Transistoren erzeugten Wärme beeinträchtigen. Der TI-Anwendungshinweis SCBA004 hat dazu mehr zu sagen.

Fazit ist: Sie können diese Geräte für lineare Anwendungen verwenden, wenn Sie sich der gravierenden Einschränkungen bewusst sind. Ihr niedriger Preis mag attraktiv sein, aber die Nachteile, die mit der einfachen Schaltung einhergehen, sind erheblich.

Digitale ICs, die in ihrem „linearen“ Bereich betrieben werden, sind möglicherweise nicht so linear. Vor einigen Jahrzehnten habe ich ein Produkt entwickelt, das einen CD4xxx-Wechselrichterchip in einem Ringoszillator verwendet. Der Hersteller ersetzte ein "modernes" Digitalteil (IIRC HCT), das im "linearen" Bereich (gleichzeitig eingeschaltete Pull-up- und Pull-down-Ausgangstransistoren) durchschossen wurde. Unnötig zu erwähnen, dass der Chip verdammt heiß wurde ;-)

Um Ihre Frage zu beantworten, ist es im Allgemeinen ein schlechter Stil, digitale ICs als lineare Geräte zu verwenden, außer in sehr seltenen Fällen!

Meine goto CMOS-Lösung

• Alle logischen I/Os haben analoge Eigenschaften im linearen Bereich zwischen Vdd und Vss.

• Jede Logic-Familie kann verwendet werden, vorausgesetzt, dass Linearverstärker mit negativer Rückkopplung eine gute Phasenreserve bei Einheitsverstärkung und Empfindlichkeit gegenüber Vdd und Lieferanten haben müssen.

- Hinzugefügt

• Der 74HCT oder jeder 74xxT ist mit der TTL-Eingangsschwelle kompatibel bei 1,5 V anstelle von Vdd / 2, was dasselbe ist, wenn Sie Vdd = 3 V erreichen. Bei Selbstvorspannung mit negativer R-Rückkopplung verschiebt sich das Ausgangs-Tastverhältnis und versucht, 1,5 VDC am Eingang zu erreichen, je nach Signalpegel, der die ESD-Klemmdioden gegen Masse auslösen kann

• Nicht jeder wird beim ersten Mal erfolgreich sein, genauso wie im linearen und HF-Design ohne volle Kenntnis der Impedanz der Schaltung, der Versorgung und des Layouts der billige und schmutzige CMOS-gepufferte Wechselrichter ein erstaunliches Verstärkungsbandbreitenprodukt von > 150 MHz mit > 60 dB Verstärkung für ein paar Cent pro hat Wandler.

Die Selbstvorspannung ist trivial, wenn der Eingang AC-gekoppelt ist, aber die Wahl eines gepufferten Wechselrichters erhöht die technische Herausforderung. Die Oszillationsempfindlichkeit nimmt zu, wenn die Verstärkung des geschlossenen Regelkreises viel niedriger ist als die Verstärkung des offenen Regelkreises, da sie nicht wie Operationsverstärker (OA) intern kompensiert wird.

• Gepufferte Inverter werden eher wie Videoverstärker mit hoher Verstärkung als wie ein OA behandelt.

Die Open-Loop-Verstärkung für einen 1-stufigen Inverter oder ungepuffert (UB) beträgt mindestens 20 dB und > 60 dB für gepufferte (B) 3 Stufen. Bei der Verwendung von Zf/Zs muss man für eine negative Rückkopplung die Ein- und Ausgänge AC-koppeln, genau wie bei einem CMOS-Operationsverstärker mit einer einzigen Versorgung. Der Zf wird normalerweise mit hohem Widerstand für eine Selbstvorspannung des Eingangs mit niedrigem Strom ausgewählt, aber ein zu hoher Wert führt zu einer langsamen Einschaltzeit für das Einschwingen der Eingangsspannung auf Vdd/2 von R2C1.

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Die gepufferten (B) Inverter haben die 3-fache lineare dB-Verstärkung von ungepufferten (UB), sodass Videoverstärker ein interessantes Verhalten aufweisen, wenn Sie eine 60-dB-Verstärkung mit Zout von 20 bis 500 Ohm Treiberimpedanz benötigen. Wobei Zout=RdsOn=Vol/Iol @~ x mA

Andere Details

Angesichts der Geschichte der CMOS-Logik seit 1970 gibt es Dutzende von Standardfamilienpräfixen wie {4xxx, 'HCxxx & 'ALCxx}. Alle analogen Eigenschaften sind nicht direkt in den Datenblättern angegeben, wie RdsOn, Ciss und Coss, aber wir wissen, dass diese den Stromverbrauch und die große Signalbandbreite begrenzen. Sie werden vielleicht schätzen, dass das FET-Verhalten wie RdsOn vs. Vgs durch den Vss-Bereich bestimmt wird und dass jede Generation entweder die Geschwindigkeit erhöht, den Stromverbrauch bei Geschwindigkeit senkt oder beides. Dies führte zu einer kleineren Lithographie, niedrigeren Vdd-Bereichen und niedrigeren RdsOn-Treiberwerten.

• Sie wissen vielleicht bereits, dass RdsOn für jede Familie der 54/74-CMOS-Serie, die von Vss abhängig ist, ziemlich konsistent ist (50 %). Da steigende Vgs natürlich RdsOn an senken. Der niedrige Vss-Bereich wird durch die Geschwindigkeit von deutlich ansteigendem RdsOn begrenzt, und der höhere Bereich erhöht den Querleitungsstrom und die Verlustleistung.

Ich gehe davon aus (aber habe es nicht verifiziert), dass jede Logikfamilie als linearer Verstärker verwendet werden kann . Jeder lineare Verstärker. müssen Regeln folgen, um linear und stabil zu machen. Abhängig von der Layout-Induktivität und anderen Impedanzen, die den Phasenabstand der Einheitsverstärkung beeinflussen, kann jedoch eine externe Kompensation an einem Pol 1. Ordnung erforderlich sein, da bekannt ist, wie Operationsverstärker ausgelegt sind.

Um optimale Ergebnisse zu erzielen, muss der Designer eine gute Vorstellung von allen Impedanzen * Z(f) der Schaltung gegenüber der Frequenz haben, selbst wenn für alle Anbieter eine große Toleranz von ~ +/- 50 % besteht. Unterschätzen Sie nie, dass sich diese erheblich ändern können, daher darf Ihre Liste zugelassener Anbieter, AVL, nur diejenigen enthalten, die Sie für jede Teilenummer in jedem Design überprüft haben. Andernfalls müssen Sie herausfinden, wie Sie diese Probleme durch Design und Tests vermeiden können. Aber im Allgemeinen habe ich festgestellt, dass die Logic-Spezifikationen, die die RdsOn- (oder Treiber-ESR-) Grenzwerte widerspiegeln, für alle Anbieter konsistent sind.

• Diese * umfassen eine Schätzung von Z(f) der Leistung und der Treiberimpedanz auf << Zout , Layouts und Entkopplungskappen bei der Betriebsbandbreite für die Versorgung über jeden Chip. und das CMOS Zout = RdsOn out . Der Grund, warum ungepufferte Wechselrichter stabiler waren und empfohlen wurden, liegt darin, dass die einstufige Verstärkung normalerweise für Quarzoszillatoren (XO) ausreicht, wenn sie mit 1~10 M Feedback R DC vorgespannt sind.

Ich nehme an, Sie haben eine Vorstellung von der Kontrolltheorie oder Bode-Plots. Da jede CMOS-Stufe ein Inverter ist, haben gepufferte Inverter 3 Verstärkungsstufen G(s) und mehr Phasenverschiebung vs$f_{BW}$~$0.35t_R$und damit weniger Stabilität bei mehr Feedback H(s).

Diejenigen, die leicht lernen können, wissen es bereits; Bode-Diagramme, Phasenspanne von 1- vs. 3-stufigen Verstärkern, Vol/Iol für jede Logikfamilie vs. Vcc. Sonst keine einfache Erklärung möglich. CD4xxx funktionierte gut 3~18V, alle anderen sollten ähnlich funktionieren, indem sie Vcc/RdsOn skalieren. Bei Lasten mit niedriger Impedanz (~50) kann der Pd im Treiber durch AC-Kopplung stark reduziert werden. 74ALCxx hat etwa 25 Ohm bei 3,3 V, 74HCxx hat etwa 50 Ohm +/-50 % bei 5 V Übertemperatur.