¿Qué sucederá si la salida de una puerta NO se inyecta de VUELTA a su PROPIA entrada?

Lo que suele pasar son los casos 3. o 5.

No has definido el caso 5 :-)

• 5. La entrada-salida unida se ubicará en algún voltaje cerca del medio del suministro.

74HC14: Cuando se utiliza una puerta disparada por Schmitt, es casi seguro que se producirá una oscilación.
Suponga que Vin-out inicialmente = bajo = 0.
Cuando la entrada = 0, la salida pasará a 1.
El tiempo para hacer esto es el retraso de propagación de la puerta (generalmente ns para nosotros, según el tipo).
Cuando la salida comienza a subir, la tasa de cambio será afectada por la carga.
Aquí, la carga es la capacitancia de entrada de la compuerta + cualquier capacitancia de cableado perdido impulsada a través de la resistencia de salida de la compuerta y cualquier resistencia de cableado.
Cin_gate está en la hoja de datos y puede ser del orden de 10 pF (varía según la familia).
En una capacitancia de cableado de PCB será baja.
En esta situación, la inductancia en serie también puede tener un efecto pequeño, pero generalmente tan pequeño que se puede ignorar. La resistencia de salida varía ampliamente con el tipo de puerta.
Muy aproximadamente Rout_efective = V/I = Vout/Iout_max.
por ejemplo, si dd = 5 V, Iout max = 20 mA, entonces Rout ~~~= 5/0,020 = 250 ohmios. Esto es muy dinámico pero da una idea.

Cuando Vout = 1 ha llevado a Cin a un nivel alto a través de Rseries + Rout, la puerta verá VIn = 1 y comenzará a cambiar a Vo = 0. Después de un retraso de propagación, la salida comienza a caer.
Y así continúa.

74HC04 : Cuando se utiliza una compuerta no disparada por Schmitt, la oscilación PUEDE ocurrir por el mecanismo anterior, pero es más probable que la compuerta se asiente en un modo lineal con Vin-Vout a aproximadamente la mitad del suministro.
Los pares internos de transistor-interruptor que están destinados a tener una salida alta o baja la mayor parte del tiempo pueden mantenerse en un estado intermedio. Esto puede conducir a un alto consumo de corriente y puede conducir a la destrucción de IC, pero también puede que no.

Como guía:

Hoja de datos del inversor 74HC04 Retardo de propagación ~~= 20 ns Hoja de datos del inversor 74HC14 Retardo de propagación ~~= 35 ns

El retraso de propagación de 74HC14 es aproximadamente un 50% más que para 74HC04, pero la histéresis de la puerta de entrada del disparador Schmitt significa que Vin tarda un poco más en aumentar, por lo que probablemente signifique un retraso general de aproximadamente el doble para la puerta disparada por Schmitt.

Si Cin = 10 pF y Rout = 250 ohmios, entonces la constante de tiempo de Vout impulsa Cin = t = RC = 250 x 10E-12
~~= 3E-9 = 3 ns.
Los pares de números a continuación separados por "/" son para 74HC04 / 74HC14 Como el retraso de propagación ~= 20/40 ns ('04/'14) (consulte la figura 6 en la hoja de datos 74HC04), luego el tiempo total de bajo a alto y de bajo a alto para 1 ciclo de oscilación es quizás 50/100 ns, por lo que se sugiere una oscilación de alrededor de 20/10 Mhz. En la práctica, esto se siente quizás "un poco alto" para el 74HC14, pero es probable que la oscilación en el rango de MHz no tenga otras cargas a 5V. El 74HC04 probablemente no oscile, pero si lo hace probablemente lo hará a una frecuencia más alta.

Nota: La compuerta Schmitt oscilará a una frecuencia más baja debido a un retraso de propagación más largo y porque los umbrales alto-bajo están definidos y separados por el voltaje de histéresis, por lo que Cin tarda un poco más en cargarse. La puerta que no es de Schmitt probablemente oscilará más alto si oscila, pero es más probable que entre en un modo lineal, posiblemente con una oscilación de baja amplitud superpuesta.

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¿Qué hay adentro?:

Mario ha mostrado el diagrama conceptual de un inversor simple como un 74C04. Estas fueron algunas de las primeras compuertas CMOS, pero la unidad de salida baja era "molesta" y pronto llegaron las compuertas almacenadas en búfer con más unidades. Para obtener la unidad de corriente adicional, tienen una etapa de salida de alta corriente separada de la etapa de entrada. Como ambos invierten, el resultado general NO es un inversor, por lo que agregan una tercera etapa de inversión para obtener la inversión general. El resultado final es "un inversor" externo y una caja negra de casualidad desconocida cuando se maneja de forma semianalógica.

Para el 74HC04, el siguiente diagrama es como se muestra en las hojas de datos de
Fairchild ,
TI y
NXP
, PERO
EN Semi ,
solo para ser diferente, haga que la segunda etapa sea un búfer con una entrada inversora. El resultado es el mismo, lógicamente sabio. Entonces, en general, no hay garantía de lo que sucederá cuando se le permita funcionar de manera semianalógica.

Un inversor de 6 en 74HC04:

Tenga en cuenta que esto es solo para la versión basada en ONE CMOS; hay muchas otras versiones de CMOS.

CMOS es el TTL, LSTTL, STTL más utilizado pero original. ECL y más.

lo que estás describiendo se llama un oscilador de anillo

Su salida oscilará con una cierta frecuencia dependiendo del retraso de la puerta de su puerta NOT.

Una puerta NOT perfecta oscilaría con una alta frecuencia infinita.

Dado que no existe un dispositivo tan perfecto, su frecuencia será

$f=\frac{1}{2*t}$

donde t es el retraso de puerta de la puerta NOT que utiliza.

Mirando el esquema del transistor, se puede ver que el circuito resultante consta de dos transistores que tienen sus puertas conectadas a sus drenajes. Este llamado transistor "conectado a diodo" actúa como una resistencia no lineal.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Básicamente, termina con un divisor de voltaje y, según las dimensiones reales del transistor, obtendrá un voltaje que debería ser alrededor de la mitad del voltaje de suministro.

Un solo inversor no oscilará ya que no tiene suficiente cambio de fase. Para un oscilador, necesitaría al menos tres inversores en serie.

Esto puede depender de la tecnología, pero al menos una puerta TTL NOT (transistores bipolares) a menudo puede verse como un amplificador inversor de alta ganancia.

Al conectar la entrada a la salida, crea una fuerte retroalimentación negativa, por lo que el amplificador se estabilizará en algún lugar entre 0 lógico y 1 lógico.

Si conecta la entrada a la salida a través de una resistencia, es posible alimentar y amplificar la señal analógica externa.

Los elementos internos de una sola puerta no suelen tener suficiente capacidad parásita (por lo tanto retardan) para producir oscilaciones si se conectan de esta manera. Sin embargo, un anillo de 3, 5 o más puertas puede tener suficiente retraso para generar una señal de alta frecuencia en lugar de entrar en un estado estable.

He visto tales soluciones "analógicas digitales" en estabilizadores de voltaje (muy elegantes: un chip digital estabiliza 5V por sí mismo) y generadores (una cadena de 3 puertas funciona como oscilador, en algún lugar alrededor de 8 MHz) en la antigua literatura rusa. Estos diagramas hacían referencia a los chips de la serie K155 (creo que algo así como la serie antigua de 7400 debería ser el análogo occidental).

No es una respuesta nueva, sino una manera simple de entender ese "punto-5". (eso fue explicado por otros usuarios), con una simple analogía mecánica .

Una puerta no podría compararse con una palanca, con un punto de apoyo fijo y en reposo en el centro de la palanca. (Como en una tijera).

Si se presiona hacia abajo un extremo (supuesto como extremo de entrada) , el otro extremo (supuesto como extremo de salida) se levanta .

Y por el contrario , si el extremo de entrada se arrebata , el extremo de salida se hunde profundamente .

Suponemos,

Arriba=1

Abajo=0

En este modelo mecánico, no hay una forma simple de unir la entrada con la salida, por lo que vamos a una forma ligeramente indirecta . ...

qué sucede cuando se ensamblan más de 1 no puertas en combinación en serie.

Un número impar de puerta no en serie (bastante como un oscilador de anillo) se comporta como una puerta no única . Mismo-está en nuestro mecánico-representante.

1 Palanca (que contiene 1 fulcro y 2 extremos) = 1 no puerta.

Ahora, dado que esta combinación actuaría como una única puerta no, y su salida podría interactuar con su entrada , así.

Los soportes dibujados solo significan que los fulcros se mantienen fijos en un lugar definido, y la unión de 2 palancas separadas (= separadas, no puertas) se puede mover hacia arriba o hacia abajo.

Entonces, si pudiéramos unir el principio y el final (y pudiéramos dar el sistema adecuado para tolerar el exceso de presión entre 2 palancas vecinas)...

Todo el conjunto formaría un círculo plano; sin extremos en 0 o 1. Pero en...

... 0,5 . La posición intermedia.

Me gusta esto:

En esta última imagen, la imagen de la izquierda es una sola palanca, representada como el mapa del mundo dibujado en la página 2d, con un poco de Alaska a un lado del extremo este de Rusia, y un poco de Rusia en el extremo. al oeste de Alaska.

En la última imagen, la imagen de la derecha, muestra la posición horizontal plana, con un valor de 0,5.

Una puerta normal (no disparador Schmitt) puede verse esencialmente como un tipo de amplificador inversor que normalmente funciona en saturación. Al conectar la salida a la entrada, aplicamos retroalimentación negativa a este amplificador.

Los resultados de esto dependen de la respuesta de frecuencia. Una puerta no de una sola etapa tendrá una respuesta de primer orden y se estabilizará en un nivel en algún lugar entre los dos rieles de potencia.

Una puerta no de tres etapas ("amortiguada") tendrá una respuesta de tercer orden. En frecuencias más allá de la segunda frecuencia de interrupción, esto provocará un cambio de fase de aproximadamente 180 grados, convirtiendo la retroalimentación negativa en retroalimentación positiva. Si la puerta todavía tiene ganancia en esas frecuencias, entonces tendrá un oscilador.

¿Qué es la "respuesta de tercer orden"? ¿Qué es la "frecuencia de segunda pausa"?

Cada amplificador actúa como un filtro de paso bajo. En general, un amplificador de una sola etapa tiene una respuesta de primer orden.

Un filtro con una respuesta de primer orden se puede aproximar mediante dos líneas rectas en un gráfico con una escala logarítmica. En esta aproximación, la ganancia permanece plana hasta que la frecuencia de corte cae a una velocidad de 20 dB por década (~6 dB por octava). Antes de la frecuencia de corte, la entrada está en fase con la salida. Después de la frecuencia de corte, la salida está desfasada 90 grados con respecto a la entrada.

Un filtro con una respuesta de segundo orden tiene dos frecuencias de interrupción y se puede aproximar mediante tres líneas rectas en nuestro gráfico log-log. Nuevamente, en esta aplicación, la ganancia permanece plana con un cambio de fase 0 hasta la primera frecuencia de ruptura. Luego cae a 20dB por década con 90 grados de cambio de fase hasta la segunda frecuencia de ruptura. Finalmente cae a 40db por década con 180 grados de cambio de fase.

Un filtro con una respuesta de tercer orden se puede aproximar mediante cuatro líneas rectas en nuestro gráfico logarítmico en la aproximación después de la primera frecuencia de ruptura, tiene una caída de 20 dB/década y un cambio de fase de 90 grados, después de la segunda frecuencia de ruptura tiene una atenuación de 40 dB/década y un cambio de fase de 180 grados y, después de la tercera frecuencia de interrupción, tiene un desplazamiento de fase de 270 grados y una atenuación de 60 dB/década.

Esta aproximación no es perfecta, en realidad hay una transición más suave de magnitud y fase en el área alrededor de cada ruptura de frecuencia, pero es lo suficientemente buena para nuestros propósitos.

Cuando ponemos tres amplificadores cada uno con una respuesta de primer orden en secuencia, terminamos con un sistema que tiene una respuesta de tercer orden.

P: ¿Es útil esta respuesta?
R: Creo que sí. (Algunos pueden no hacerlo :-)).

Utiliza el humor en la forma de la implementación de un chiste muy antiguo, y trata la inversión y la oscilación de una manera análoga al inversor en esta pregunta.

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El recién llegado Ben publicó un enlace a algo que algunos consideraron irrelevante.
En realidad es apropiado y casi útil y también algo divertido.
Siempre confundido informó que el sitio tenía problemas con el cortafuegos: mi sistema, que es (teóricamente) seguro, no se 'quejó' cuando accedí al sitio.

Este enlace que proporcionó Ben es para un video de 40 segundos que muestra a un "científico" experimentando con una tostada con mantequilla y un gato y observando cómo aterrizan. Lo que hace a continuación coincide con una broma estándar. En el fondo, su Igor como asistente está trabajando duro. Tostadas, gato, un poco de cinta adhesiva y el aparato de Igor producen algo relevante para esta pregunta. Implica inversión y oscilación y (posiblemente retroalimentación). Además de una pizca de humor.

Me gusta el experimento de caída de tostadas de ~= 20 mm, y el resultado poco probable.
Eso se aproxima al resumen duro de la pregunta, y quizás al resultado.

Además, Ben señaló "... y produce energía ilimitada". .
Eso tiene sentido en el contexto de brindis + gato, pero no es demasiado relevante para esta pregunta.