Czy obwód wzmacniacza operacyjnego może być wykonany całkowicie z diod Nand And Nor Gates?

To pozornie proste - dość proste pytanie jest nieco niejednoznaczne i można na nie odpowiedzieć na kilka sposobów.

• Spehro założył, że konwertujesz dane wejściowe na wartość cyfrową i wykonujesz na niej arytmetykę cyfrową. Mówi więc, że odpowiedź brzmi tak.

• ScottMcP przyjmuje twoje pytanie za wartość nominalną i zauważa, że ​​mówisz „bramki diodowe”, które nie mają wzmocnienia, zakłada, że ​​chcesz użyć cyfrowa bramka jako wzmacniacz analogowy, a ponieważ bramki diodowe mają analogowe wzmocnienia <, mówi nie.

• WhatRoughBeast bierze również „cyfrową bramkę jako wzmacniacz analogowy” i zauważa, że w bramce cyfrowej brakuje funkcji potrzebnych do wykonania wzmacniacza operacyjnego. Ale zauważa również, że można wykonać pojedynczy wzmacniacz wejściowy, używając bramki cyfrowej jako analogowego stopnia wzmocnienia.

  • Symbol zastępczy przyjmuje podejście „bramki cyfrowej jako stopnia analogowego”, ALE przechodzi drugą milę i pokazuje, jak można skonstruować „prawdziwy” [tm] różnicowy wzmacniacz wejściowy.

• Jest jeszcze jedna opcja, która do tej pory nie została omówiona. To znaczy, wprowadzanie sygnału analogowego do bramki cyfrowej, która działa jako „cyfrowy” oscylator (aczkolwiek z wykorzystaniem analogowego opóźnienia taktowania), tak że bramka wyprowadza sygnał cyfrowy, ale działanie cyfrowe bramki (w tym przypadku przestrzeń znacznika oscylatora ratio) jest pod wpływem sygnału analogowego, umożliwiając wzmocnienie w domenie cyfrowej, a następnie konwersję z powrotem do dźwięku.

Poniżej omówię „bramkę cyfrową konwertowaną na wzmacniacz analogowy” aspekty, a następnie przedstaw rzadko spotykaną [wciągającą głęboki oddech] koncepcję „bramki cyfrowej działającej jako wzmacniacz analogowy i wytwarzającej wyjście cyfrowe, które można łatwo przekonwertować z powrotem na analogowy”. Zwykle zabawniejsze niż przydatne, ale potencjalnie wartościowe „w ekstremalnej sytuacji”.

Więc:

Bramka jest cyfrowa, sygnały analogowe ”

Nie, nie, jeśli bramki są używane jako cyfrowe bramki logiczne, a wzmacniacz obsługuje tylko sygnały analogowe.

Bramki logiczne z rezystorem diodowym bez wzmocnienia.

A także nie, jeśli bramki nie mają „zysku”.

• Dioda & rezystor tylko bramki nie mają żadnego wzmocnienia - ale też nigdy nie są używane w niczym praktycznym z powodu obciążenia przez kolejne stopnie.

Bramki „DTL” działające w trybie analogowym.

Tylko „rodzaj”.

DTL = Dioda -Bramki tranzystorowo-logiczne mogą mieć wzmocnienie i można je przekształcić w (niezbyt dobre) wzmacniacze, używając ich „dziwnie”. Wejścia połączone szeregowo diodami nakładają ograniczenia na to, co można osiągnąć za pomocą wejść analogowych. Musiałbyś być bardzo bystry.

Bardziej nowoczesne bramki cyfrowe w trybie analogowym:

Jeśli jesteś przygotowany do korzystania z bramek cyfrowych w trybie analogowym, jak ma to miejsce w niektórych aplikacjach, to tak , to może być zrobione. Jest to stosunkowo nietypowe w codziennym użytkowaniu i jest zwykle kompromisem lub „robione dla zabawy” lub ekstremalnym cięciem kosztów.

Informacje ogólne:

„Op-Amp” to analogowy wzmacniacz sygnału o dużym wzmocnieniu (Vout / Vin = „high”, wysokie wejście impedancja i niska impedancja wyjściowa. Mógłbym wyjaśnić, co oznacza „analog” w tym kontekście, ale jeśli to jest niejasne, jest to niezbędna część zrozumienia pytania, nie mówiąc już o odpowiedzi, i można bardzo łatwo zbadać to samodzielnie.

Jeśli NIEKTÓRE bramki cyfrowe mają połączenia wykonane od wyjścia do wejścia przez rezystor lub sieć rezystorową, można je spolaryzować do stanu liniowego, a następnie użyć jako wzmacniacza analogowego.

Niektóre diody I i LUB bramki MOGĄ być w ten sposób obciążane i używane jako wzmacniacz. Nie używa się ich w zamierzonym trybie i jakość wzmacniacza byłaby słaba. Diody dodałyby bardzo duże zniekształcenia. Nawet starsza logika RTL może działać lepiej niż to, ale nadal nie jest to prawdziwa bramka cyfrowa, gdy jest używana w ten sposób.

Przykład nowoczesnej bramki CMOS używanej w trybie analogowym do stworzenia wzmacniacza liniowego.

Obwód pochodzi stąd

Mówi się:

• Przetwornice CMOS mogą być używane jako wzmacniacze liniowe, gdzie stosowana jest negatywna informacja zwrotna. Najlepszą liniowość uzyskuje się dzięki sprzężeniu zwrotnemu zastosowanemu wokół trzech falowników, co zapewnia prawie idealną liniowość do dynamicznego wyjścia 5 V od szczytu do szczytu z szyną zasilającą 10 V Wzmocnienie jest ustawiane przez stosunek Rl i R2, a wartości są typowe dla wzmocnienie 100. Pasmo przenoszenia wysokich częstotliwości przy podanych wartościach jest prawie płaskie do 20 kHz. Pasmo przenoszenia jest określane przez Cl i C2 ..

  Ten obwód nie jest odpowiedni dla sygnałów o niskim poziomie, ponieważ stosunek sygnału do szumu wynosi tylko około 50 dB do 5 V na wyjściu przy przedstawionych typowych wartościach.

Wzmacniacz analogowy z czysto cyfrową bramką:

Ty rzadko będzie opisywał tę koncepcję. To działa.

ALE (a wiele osób nie jest tego świadomych) możesz używać niektórych rodzajów bramek cyfrowych jako wzmacniaczy analogowych, pozostając w trybie cyfrowym. Jest to raczej (lub bardzo) przypadek specjalny.

Np. Jeśli inwerter wejściowy wyzwalany 74C14 Schmitta ma rezystor podłączony od wyjścia do wejścia, będzie on oscylował (dla określonego zakresu rezystorów), używając pojemności rozproszonej jako część obwodu czasowego RC. Jeśli teraz podłączysz sygnał AC do wejścia, wyjście będzie miało modulowaną szerokość impulsu. Jeśli filtrujesz dolnoprzepustowy sygnał wyjściowy, możesz uzyskać wzmocniony analog. Zapytaj mnie, skąd wiem :-). Sekretem „utrzymania cyfryzacji” jest wejście wyzwalające Schmitta. Bramka nie może zostać przesunięta w tryb liniowy z powodu histerezy i zamiast tego oscyluje.

fosc powinno być >> finput. Ponieważ wejście bramki jest napędzane powyżej połowy przez przychodzący prąd przemienny, ujemne do dodatnich czasy przejścia oscylacji są skośne i podobnie jak Von spada poniżej połowy napięcia, ale z odwrotnym wpływem na przestrzeń znaku. Wynikowym wyjściem jest zmienna PWM w przestrzeni znaczników sterowana przez Vin. Filtrowanie tego sygnału AC przywraca wzmocniony sygnał.

Diagram oparty na tym oryginale

Sercem wzmacniacza operacyjnego jest wzmacniacz różnicowy, w którym prąd jest rozdzielany między parę dobrze dopasowanych tranzystorów wejściowych. To właśnie umożliwia wysokie wzmocnienie połączone z niskimi przesunięciami. Bramki logiczne po prostu nie mają odpowiedniej geometrii.

Więc odpowiedź brzmi: nie.

To powiedziawszy, inwertery logiczne (a co za tym idzie prawie każda bramka odwracająca, taka jak NAND lub NOR), ma potencjał do wykorzystania jako liniowa wzmacniacz - pod warunkiem, że możesz zapewnić odpowiednie odchylenie i nie oczekujesz świetnej wydajności. Podejście to jest powszechnie stosowane w produkcji oscylatorów kwarcowych o niskiej wydajności, które nie wymagają czystości przebiegu wyjściowego ani wyjątkowej stabilności. Wiele lat temu zdaje się przypominać sobie sporadyczny pomysł na układy wykorzystujące falowniki z serii CD4000 jako wzmacniacze sprzężone prądem przemiennym, z takim zastosowaniem ograniczonym do bramek niebuforowanych. Ale te aplikacje nie są wzmacniaczami operacyjnymi, a jedynie mniej lub bardziej odpowiednimi wzmacniaczami single-ended. Wydaje mi się również, że miały bardzo ograniczoną liniowość.

Oczywiście, jeśli masz liczby cyfrowe dla napięć wejściowych, wzmacniacz operacyjny wykonuje jedynie obliczenia Vout = Av (Vin + - Vin-). Łatwo to zrobić za pomocą bramek (i bramki NAND lub NOR byłyby wystarczające).

Bramki NAND i NOR wymagają czegoś więcej niż tylko diod, wymagają oczywiście tranzystorów. Bramki OR i AND nie są wystarczające.

Jeśli wykonujesz obliczenia okresowo (co oznacza jakiś rodzaj zegara), możesz dowolnie dokładnie symulować analogowy wzmacniacz operacyjny, zakładając, że obliczenia są wystarczająco szybkie, a cyfryzacja jest poniżej poziomu szumów analogowego op- amp.

Jeden z najprostszych wzmacniaczy operacyjnych wygląda następująco:

^{Symuluj ten obwód - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab}

I możesz go zbudować za pomocą bramek NAND:

^{symuluj ten obwód}

^{symuluj ten obwód}

Więc odpowiedź brzmi TAK.

Pamiętaj, że to będzie bzdury i będzie działać tylko w bardzo wąskim zakresie. Podstawowym narzędziem do działania, jakie mamy przy projektowaniu wzmacniaczy operacyjnych z tranzystorów, jest gra z szerokością i długością tranzystorów. Moglibyśmy to trochę zrobić tutaj, szczególnie w parze różnic, ponieważ mógłbym równolegle z kilkoma bramkami NAND.

Oczywiście nie podałem Ci niezbędnego tła, aby zrozumieć, jak to działa, ale obwody topologia) są identyczne. Aby wyjaśnić sprawę, jeśli coś nie jest podłączone, zignoruj ​​to, a jeśli prześledzisz połączenia, zobaczysz, że zduplikowałem wzmacniacz operacyjny za pomocą 5 pamięci NAND.

Wzmacniacz operacyjny musi mieć wzmocnienie. Nie ma sposobu, aby uzyskać zysk z diod.