Усилители на логических элементах?

Нашел я одну книжку в своих запасах. Вот эту.

Рис.1 Автор- Биняковский А., год выпуска - 2006г.

Просматривая эту книгу, я наткнулся на схему, которую неоднократно видел в сети и журналах.

Рис. 2. Статья из журнала Радиолюбитель, №3, 2002 год

Речь в статье идет об использовании логических элементов в качестве усилителей. Кроме того я в свое время где-то читал статью об использовании логических элементов для создания низкочастотных фильтров. И все это можно сделать переведя логический элемент в линейный усилитель с помощью всего одного резистора, создающего отрицательную обратную связь с выхода на вход элемента.

Рис. 3. Схемы превращения логических элементов в линейные усилители.

В первом случае (рис. 3 А) это инвертор (176/561ЛН1/2), в другом случае - это превращенный в инвертор двухвходовой элемент И-НЕ. Чтобы добраться до сути заглянем во внутреннюю структуру этих элементов.

Рис. 4. Внутреннее устройство инвертора КМОП.

Основой инвертора является комплементарная пара МОП-транзисторов. Диоды играют защитную роль. Работу инвертора поясняет следующая схема.

Рис. 5. Механизм работы инвертора (из справочника В. Шило)

При подаче на вход элемента (объединенные затворы) напряжения низкого уровня р- канальный транзистор открывается, а n- канальный транзистор закрывается, и на выходе будет напряжение высокого уровня (т.е. инвертированное входное) . При подаче на вход высокого логического уровня р- канальный транзистор закрывается, а n- канальный транзистор открывается, и на выходе будет напряжение низкого уровня.

Что же будет, если мы между входом и выходом установим резистор обратной связи (рис. 3А)? противофазное напряжение с выхода на вход установит некое равновесное напряжение. На опыте (инвертор из состава 561ЛН2) напряжение на выходе и на входе стало практически одинаковым и равным половине напряжения питания.

Теперь рассмотрим элемент 2И-НЕ из состава микросхемы 561ЛА7.

Рис. 6. Схема элемента 2И-НЕ.

Если на оба входа элемента подать напряжение высокого уровня, то транзисторы VT1 и VT2 будут находиться в открытом состоянии, а VT3 и VT4 в закрытом. Таким образом, на выходе Q будет напряжение низкого уровня. Если оба входа подать напряжение низкого уровня, то транзисторы VT1, VT2 будут закрыты, а VT3, VT4 открыты. Это установит напряжение высокого уровня на выходе Q. Т.е., объединив входы элемента 2И-НЕ мы получили инвертор.

Для эксперимента я взял микросхему 561ЛА7. Замкнув входы первого элемента (выводы 1 и 2) я получил инвертор (рис. 3Б). Вначале я установил порог срабатывания элемента. Для этого без подключения R1 я подавал на его вход через резистор 100 кОм напряжение от 0 до напряжение питания (8,2 В). При этом до напряжения 4,09 на выходе напряжение было 8,0 В, при напряжении на входе 4,10 В - на выходе было 7,94 при напряжении на входе 4,09 В - на выходе 8,01 В. Т.е. переход из одного состояния в другое инвертор переходил при напряжении 4,10 В. При уменьшении напряжения на входе от Uпит до 0 все повторялось в обратной последовательности, причем никакого гистерезиса я не заметил.

Подключил между входом и выходом резистор R1 = 100 кОм. Напряжение на выходе установилось равным 4,35 В при напряжении на входе 4,1 В. Измерение проводил мультиметрами UT70B и MY-63. Попробовал подавать на вход через резистор 100 кОм напряжение от 0 до Uпит. Элемент с резистором R1 вел себя также как и без него, т.е. при 4,1 В напряжение на выходе перескакивало от одного логического уровня к другому и никакого линейного участка не наблюдалось.

Подключил к выходу элемента через керамический конденсатор 2,2 мкФ осциллограф и очень удивился.

Рис. 7. Осциллограмма сигнала на выходе осциллографа.

Элемент вовсю генерировал почти что синус, да еще с частотой более 4 МГц. А ведь по паспорту он работает до 3 МГц. Размах колебаний почти равен напряжению питания. Чтобы избавиться от самовозбуждения изменил схему, почти как у DD2 на рис. 2.

Рис. 8. Схема для исследования логического элемента.

При разомкнутом S1 и отсутствии на входе сигнала элемент возбуждался на низкой частоте.

Рис. 8. Осциллограмма сигнала при низкочастотном самовозбуждении.

Почти чистый меандр с частотой 12 Гц. Потом я замкнул ключ S1. Оказалось , что возбуждение сохранялось пр напряжении на входе 4,10 В +/- 20 мВ. При других напряжениях генерация срывалась. При изменении напряжения в этом диапазоне изменялась скважность и частота.

Рис. 9. Изменение параметров импульсов при изменении напряжения на входе логического элемента. Слева U = 4,08 В, справа - U = 4,12 В.

Разомкнул ключ S1 и подал на вход синусоидальный сигнал. Самовозбуждение прекратилось, но на выходе все равно был не синус, а меандр, независимо от уровня входного сигнала.

Рис. 10. Зависимость уровня и формы выходного сигнала от уровня входного (слева Uвх = 100 мВ, справа Uвх = 1 В).

Я решил попробовать изменить частоту входного сигнала.

Рис. 11. Форма входного (внизу) и выходного (вверху) сигнала с частотой 1,5 МГц.

Вот здесь имеет место почти неискаженный сигнал на выходе при коэффициенте усиления более 20. А что если еще больше увеличить частоту?

Рис. 12. Форма входного (внизу) и выходного (вверху) сигнала с частотой 7 МГц.

Вот это да! Коэффициент усиления больше двух. Но, обратите внимание, что размах выходного сигнала 1,6 В и далек от напряжения питания. Добавим еще частоты.

Рис. 13. Частота входного сигнала 8 МГц.

Раз есть усиление, то можно на эту частоту, если нужно, сделать и генератор.

Что же в остатке? Как оказалась, на низких частотах ни о какой работе логического элемента (инвертора) в линейно режиме говорить не приходится даже при наличии отрицательной обратной связи. А ведь в сети гуляют схемы, в которых никакой обратной связи нет.

Вот пример : https://radiohata.ru/transfer/401-tulgin-yu-m-unch-i-priemnik-na-cifrovoy-mikrosheme.html

Вот что пишет автор: "Некоторые цифровые микросхемы КМОП-логики, такие как К176ЛА7, К176ЛЕ5, К561ЛА7, К561ЛЕ5, а так же зарубежные аналоги 4001, 4011 могут работать и в линейном усилительном режиме. Для этого вход и выход логического элемента нужно соединить резистором или RC-цепью отрицательной обратной связи, которая подаст напряжение с выхода элемента на его же вход и в результате на входе и выходе элемента установится одно и то же напряжение, где-то между значением логического нуля и логической единицы. По постоянному току элемент окажется в режиме усилительного каскада. А коэффициент усиления будет зависеть от параметров этой цепи ООС."

Т.е. это усилительный каскад не переменного, а постоянного тока? И это так. Я убедился, что при напряжении на входе элементе равном 1/2Uпит, изменение этого напряжения в пределах +/- 20 мВ выходное напряжение изменяется в диапазоне от 0 до Uпит. Может быть и переменное напряжение долно быть в этом же диапазоне. К меня при напряжении меньше 30 мВ на выходе переменного напряжения не было.

А вот и схема УНЧ.

Рис. 14. Схема УНЧ.

Если элемент D1.1 как бы работает в линейно режиме и на его входе напряжение равно 1/2 Uпит, то на его выходе оно, как показал опыт, выше на 200-250 мВ и совершенно выпадает за пределы в +/- 20 мВ. Поэтому соединять элементы последовательно нельзя. Ведь если на входах D1.2, D1.3, D1.4 напряжение на 200 мВ выше, чем 1/2 Uпит, то на их выходе будет низкий логический уровень и все. А вот в случае импульсного сигнала на выходе D1.1 мы что-то услышим из динамика, только вряд ли это нам понравиться.

А вот с высокочастотном сигналом все нормально. В диапазоне 1-5 МГц коэффициент усиления достаточно большой, но падает с увеличением частоты. Но в диапазоне СВ вполне сойдет.

Изложенное здесь мнение - это мнение экспериментатора, причем старого :). Если у кого есть другие данные - пишите.

Всем здоровья и успехов!