A todas las familias lógicas les gusta usar inversores con búfer, 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; busque 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 diseñadas para usarse en circuitos lineales; Es poco probable que las puertas amortiguadas funcionen en absoluto.

Otra nota de aplicación útil: comprensión de las características de CD4xxx (sin) búfer .

Debe recordar que las puertas lógicas como los inversores son en realidad 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 se pueden usar en una función analógica.

Los inversores en particular cumplen muy bien esta función, 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 los amplificadores operacionales. La lógica no inversora es menos útil.

Lo bien que funcionan en una función analógica depende, por supuesto, de la naturaleza de la puerta en particular. Los dispositivos más antiguos son transistores emparejados muy simples, la variedad con búfer tiene más elementos internos que los hacen menos lineales.

Sin embargo, los dispositivos lógicos tienen una tendencia a abrir el circuito, o peor aún, disparar cuando la señal está entre niveles lógicos, por lo que usarlos como amplificadores simples para señales de baja frecuencia no es una buena idea.

Sin embargo, usándolos como parte de un circuito de retardo, o como controlador en un oscilador, funcionan bien, especialmente si la puerta es un Schmitt Trigger 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, existen algunos inconvenientes que deben tenerse en cuenta.

Quizás lo más importante es que los parámetros están mal especificados. Si bien la hoja de datos de un amplificador tiene mucha información sobre las propiedades del amplificador, normalmente encontrará muy poca información de este tipo en la hoja de datos de un dispositivo lógico. Además, es probable que existan grandes tolerancias y variabilidad en las condiciones de operación (voltaje de operación, temperatura, ...). Por lo tanto, es posible que solo desee emplear esos dispositivos en circuitos que puedan 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 está en el rango medio entre alto y bajo, donde ambos transistores conducen simultáneamente. Esto también va a depender mucho del voltaje de funcionamiento. Empeora cuanto más rápida y más alta sea la unidad de salida de la familia lógica. Esta es la razón por la cual 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 de subida/bajada de señal máximo especificado, lo que indica que el nivel de entrada no debe permanecer entre alto y bajo por 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 pequeños. La nota de aplicación de TI SCBA004 tiene más que decir al respecto.

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

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

Entonces, 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 utilizar cualquier familia lógica, teniendo en cuenta que los amplificadores lineales de retroalimentación negativa deben tener un buen margen de fase con ganancia unitaria y sensibilidad a Vdd y proveedores.

- Agregado

• el 74HCT o cualquier 74xxT es compatible con el umbral de entrada TTL a 1,5 V en lugar de Vdd/2, que es lo mismo cuando llega a Vdd=3V. Con autopolarización con retroalimentación R negativa, el ciclo de trabajo de salida cambiará tratando de alcanzar 1,5 V CC en la entrada, por lo que, dependiendo del nivel de señal, puede 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 un conocimiento completo de la impedancia del circuito, el suministro y el diseño, el inversor con búfer CMOS barato y sucio tiene un producto de ancho de banda de ganancia increíble de> 150MHz con ganancia de> 60dB por centavos por inversor.

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

• Los inversores con búfer se tratan más como amplificadores de video de alta ganancia que como OA.

La ganancia de bucle abierto para un inversor de 1 etapa o sin búfer (UB) es de 20 dB como mínimo y >60 dB para 3 etapas con búfer (B). Cuando se usa Zf/Zs, para la retroalimentación negativa, se debe acoplar CA la entrada y las salidas como en un amplificador operacional CMOS de suministro único. El Zf generalmente se selecciona con alta resistencia para la autopolarización de CC de baja corriente de la entrada, pero demasiado alto dará como resultado un tiempo de encendido lento para que el voltaje de entrada se estabilice 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 los 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 limitan el consumo 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 aumentó la velocidad, redujo el consumo de energía a la velocidad o ambos. Esto resultó en una litografía más pequeña, rangos 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 reduce naturalmente RdsOn an. El rango bajo de Vss está limitado por la velocidad del aumento significativo de RdsOn 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 pueda usarse como un amplificador lineal . Cada amplificador lineal. debe seguir reglas para hacerla lineal y estable. Sin embargo, dependiendo de la inductancia del 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 según cómo se diseñan 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 de Logic que reflejan los límites de RdsOn (o ESR del controlador) son consistentes para todos los proveedores.

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

Supongo que tienes alguna idea de la Teoría de Control o diagramas de Bode. Dado que cada etapa CMOS es un inversor, los inversores con búfer tienen 3 etapas de ganancia G (s) y más cambio 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 saben; Diagramas de Bode, margen de fase de amperios de 1 etapa frente a 3, Vol/Iol para cada familia lógica frente a Vcc. De lo contrario, no es posible una explicación simple. CD4xxx funcionó bien 3 ~ 18 V, todos los demás deberían funcionar de manera similar al escalar Vcc / RdsOn. Para cargas de baja impedancia (~50), la Pd en el controlador puede reducirse en gran medida mediante el acoplamiento de CA. 74ALCxx tiene alrededor de 25 ohmios a 3,3 V, 74HCxx tiene alrededor de 50 ohmios +/-50 % a 5 V de sobretemperatura.