Kann eine Operationsverstärkerschaltung vollständig aus Diode Nand und Nor Gates hergestellt werden?

Diese scheinbar einfach genug gestellte Frage ist etwas mehrdeutig und kann auf verschiedene Arten beantwortet werden.

• Spehro hat angenommen, dass Sie die Eingabe in einen digitalen Wert konvertieren und eine digitale Arithmetik durchführen. Er sagt also, die Antwort sei ja.

• ScottMcP nimmt Ihre Frage zum Nennwert und stellt fest, dass Sie "Diodentore" sagen, die keinen Gewinn haben, und davon ausgehen, dass Sie sie verwenden möchten Das digitale Gate als analoger Verstärker und als Diodentore haben analoge Verstärkungen von <-Einheit. Nein.

• WhatRoughBeast nimmt auch das "digitale Gate als analogen Verstärker" und stellt fest, dass Dem digitalen Gate fehlen Funktionen, die für einen Opamp erforderlich sind. Er merkt aber auch an, dass Sie einen einzelnen Eingangsverstärker mit einem digitalen Gate als analoge Verstärkungsstufe herstellen können.

• Platzhalter verwendet den Ansatz "Digitales Gate als analoge Stufe", ABER geht die zweite Meile und zeigt, wie ein "echter" [tm] Differenzeingangsverstärker aufgebaut werden könnte.

Im Folgenden werde ich das "in einen analogen Verstärker konvertierte digitale Gate" behandeln. Aspekte und dann das selten gesehene [zieht tief durchatmenden] "digitales Gate, das als analoger Verstärker fungiert und gleichzeitig einen digitalen Ausgang erzeugt, der leicht wieder in ein analoges Konzept umgewandelt werden kann". Normalerweise mehr Spaß als nützlich, aber möglicherweise von Wert "in einer extremen Situation".

So:

Gate ist digital, Signale sind analog "

Nein, nicht wenn die Gatter als digitale Logikgatter verwendet werden und der Verstärker nur analoge Signale verarbeitet.

Diodenwiderstands-Logikgatter ohne Verstärkung.

Und auch nein, wenn die Tore keinen "Gewinn" haben.

Nur "Art von".

DTL = Diode -Transistor-Logik-Gatter können eine Verstärkung haben und können zu (nicht sehr guten) Verstärkern gemacht werden, indem sie "seltsam" verwendet werden. Die in Reihe geschalteten Diodeneingänge schränken ein, was mit analogen Eingängen erreicht werden kann. Du müsstest sehr scharf sein.

Modernere digitale Gatter im analogen Modus:

Wenn Sie bereit sind, digitale Gatter im analogen Modus zu verwenden, wie dies in einigen Anwendungen der Fall ist, dann ja kann es gemacht werden. Dies ist im täglichen Gebrauch relativ ungewöhnlich und in der Regel ein Kompromiss oder "zum Spaß gemacht" oder extreme Kostensenkung.

Allgemeiner Hintergrund:

Ein "Operationsverstärker" ist ein analoger Signalverstärker mit hoher Verstärkung (Vout / Vin = "hoch", ein hoher Eingang Impedanz und niedrige Ausgangsimpedanz. Ich könnte erklären, was "analog" in diesem Zusammenhang bedeutet, aber wenn dies unklar ist, ist dies ein wesentlicher Bestandteil für das Verständnis der Frage, geschweige denn für die Antwort, und Sie können sie sehr einfach selbst untersuchen.

Wenn einige digitale Gatter Verbindungen von Ausgang zu Eingang über einen Widerstand oder ein Widerstandsnetzwerk haben, können sie in einen linearen Zustand vorgespannt und dann als analoger Verstärker verwendet werden.

Einige Dioden UND und ODER Gatter können auf diese Weise vorgespannt und so als Verstärker verwendet werden. Dies verwendet sie nicht in ihrem beabsichtigten Modus und die Verstärkerqualität wäre schlecht. Die Dioden würden eine sehr signifikante Verzerrung hinzufügen. Selbst ältere RTL-Logik könnte besser funktionieren als Dies ist jedoch immer noch kein echtes digitales Tor, wenn es auf diese Weise verwendet wird.

Beispiel eines modernen CMOS-Gatters, das in einem analogen vorgespannten Modus verwendet wird, um einen Lineara-Verstärker zu erzeugen.

Schaltung ist von hier

Sie sagen:

• CMOS-Inverter können als lineare Verstärker verwendet werden, wobei negatives Feedback wird angewendet. Die beste Linearität wird mit einer Rückkopplung erreicht, die um drei Wechselrichter angelegt wird. Dies ergibt eine nahezu perfekte Linearität bis zu einem dynamischen Ausgang von 5 V Spitze zu Spitze mit einer 10 V-Versorgungsschiene. Die Verstärkung wird durch das Verhältnis von Rl und R2 eingestellt und die Werte sind typisch für a Verstärkung von 100. Der Hochfrequenzgang mit den angegebenen Werten ist bis 20 kHz nahezu flach. Der Frequenzgang wird durch Cl und C2 bestimmt.

  Diese Schaltung ist nicht für Signale mit niedrigem Pegel geeignet, da das Signal-Rausch-Verhältnis mit den gezeigten typischen Werten nur ca. 50 dB bis 5 V beträgt.

Analogverstärker mit rein digitalem Gate:

Sie wird dieses Konzept nur selten beschrieben finden. Es klappt.

ABER (und viele Leute sind sich dessen nicht bewusst) können Sie einige Arten von digitalen Gattern als analoge Verstärker verwenden, während Sie in einem digitalen Modus bleiben. Dies ist ein eher (oder sehr) spezieller Fall.

Wenn beispielsweise bei einem von 74C14 Schmitt ausgelösten Wechselrichter ein Widerstand von Ausgang zu Eingang angeschlossen ist, schwingt er (für einen bestimmten Bereich von Widerständen) unter Verwendung der Streukapazität als Teil der RC-Zeitschaltung. Wenn Sie jetzt ein Wechselstromsignal mit dem Eingang verbinden, wird der Ausgang pulsbreitenmoduliert. Wenn Sie das Ausgangssignal tiefpassfiltern, können Sie analog verstärkt werden. Frag mich woher ich weiß :-). Das Geheimnis, um es digital zu halten, ist der Schmitt-Triggereingang. Das Gate kann aufgrund von Hysterese nicht in einen linearen Modus vorgespannt werden und schwingt stattdessen.

fosc sollte >> finput sein. Wenn der Gate-Eingang durch den ankommenden Wechselstrom über die Hälfte des Antriebs angesteuert wird, werden die negativen zu positiven Übergangszeiten der Schwingung verzerrt, und ähnlich wie Von unter die halbe Spannung fällt, jedoch mit entgegengesetzter Auswirkung auf den Markierungsraum. Die resultierende Ausgabe ist eine von Vin gesteuerte PWM mit variablem Markierungsraum. Durch Filtern dieses Wechselstromsignals wird das verstärkte Signal wiederhergestellt.

Diagramm basierend auf diesem Original

Das Herzstück des Operationsverstärkers ist der Differenzverstärker, bei dem ein Strom zwischen zwei hochangepassten Eingangstransistoren aufgeteilt wird. Dies ermöglicht eine hohe Verstärkung in Kombination mit niedrigen Offsets. Logikgatter haben einfach nicht die Geometrie, um dies zu tun.

Die Antwort lautet also nein.

Das heißt, Logikinverter (und damit fast jedes invertierende Gate wie ein NAND oder NOR) können möglicherweise als linear verwendet werden Verstärker - vorausgesetzt, Sie können für die richtige Vorspannung sorgen und erwarten keine große Leistung. Dieser Ansatz wird üblicherweise bei der Herstellung von Kristalloszillatoren mit geringer Leistung verwendet, die keine Reinheit der Ausgangswellenform oder außergewöhnliche Stabilität erfordern. Vor vielen Jahren erinnere ich mich an die gelegentliche Schaltungsidee, bei der Wechselrichter der CD4000-Serie als Wechselstrom-gekoppelte Verstärker verwendet wurden, wobei diese Verwendung auf die nicht gepufferten Gatter beschränkt war. Diese Anwendungen sind jedoch keine Operationsverstärker, sondern lediglich mehr oder weniger geeignete Single-Ended-Verstärker. Ich erinnere mich auch daran, dass sie eine sehr begrenzte Linearität hatten.

Sicher, wenn Sie digitale Zahlen für die Eingangsspannungen haben, führt ein Operationsverstärker lediglich die Berechnung Vout = Av (Vin + - Vin-) durch. Einfach mit Gates zu erledigen (und entweder NAND- oder NOR-Gates wären ausreichend).

NAND- und NOR-Gatter erfordern mehr als nur Dioden, sie benötigen natürlich Transistoren. ODER- und UND-Gatter reichen nicht aus.

Wenn Sie die Berechnung periodisch durchführen (dh eine Art Takt), können Sie einen analogen Operationsverstärker beliebig genau simulieren, vorausgesetzt, die Berechnungen sind schnell genug und die Digitalisierung liegt unter dem Grundrauschen des analogen Operationsverstärkers. Ampere.

Einer der einfachsten Operationsverstärker sieht folgendermaßen aus:

^{simulieren diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab sup>}

Und Sie können es mit NAND-Gattern erstellen:

^{simulieren Diese Schaltung sup>}

^{simuliert diese Schaltung sup>}

Die Antwort lautet also JA.

Denken Sie daran, dass dies Mist ist und nur über einen sehr engen Bereich funktioniert. Das wichtigste Werkzeug für den Betrieb, das wir beim Entwurf von Operationsverstärkern aus Transistoren haben, ist das Spielen mit den Breiten und Längen der Transistoren. Wir könnten dies hier ein wenig tun, insbesondere im Diff-Paar, da ich mehrere NAND-Gatter parallel schalten könnte.

Natürlich habe ich Ihnen nicht den notwendigen Hintergrund gegeben, um zu verstehen, wie dies funktioniert, sondern die Schaltkreise ( Topologie) sind identisch. Wenn etwas nicht angeschlossen ist, ignorieren Sie es, und wenn Sie die Verbindungen verfolgen, können Sie sehen, dass ich den Operationsverstärker mit 5 NANDs dupliziert habe.

Ein Operationsverstärker muss eine Verstärkung haben. Es gibt keine Möglichkeit, die Dioden zu verbessern.