使用异常 CMOS 门电路检测断线

接线图 2024年02月06日 17:46 167 admin

CMOS 器件具有大输入阻抗，输入电流约为 0.01nA。添加反馈电路可以产生一个类似锁存器的设备，该设备可用于存储位，并且还可以在更模拟的模式下运行，如本设计理念所示，它可以精确定位电线断裂的位置。
首先让我们看一下 CMOS 门作为存储设备的使用。图 1 显示了一位透明锁存器。单个 CD4069 十六进制反相器可以构成 3 位锁存器，或者如果使用 CD4050 十六进制缓冲器，则可以构成 6 位锁存器。在反相器的情况下，一对门形成一个存储单元。一个门通过一个大电阻反馈另一个门的反相输出。

使用异常 CMOS 门电路检测断线第1张

    图 1 使用普通 CMOS 门的透明锁存器。输入的数据是“D”，使能是“E”。
    输入端还包含一个小电容器，可提供抗噪性（电源或输入端）。它还有助于为输入信号设置时序约束。晶体管用于将数据锁存到存储单元中。NPN晶体管的发射极用于提供数据，其基极端子用于控制其传输到单元的输入端。数据被施加到 D，一个短的正脉冲被施加到 E。在由 RC 时间常数确定的时间内，该数据被复制到存储单元中。基于反相门的存储单元可以提供非反相和反相输出，而非反相门仅提供非反相输出。反馈电阻器也可以是反向偏置二极管，因为栅极的输入阻抗非常高。反向偏置二极管传导 1nA 量级的电流，
    在某处有断口的一束电线中，虽然很容易判断是否有断口，但很难确定其位置。使用上面讨论的存储单元，我们将探索一种检测这种中断的方法。
    图2a中，断线与导线穿过的长度为1-3cm的检测器圆柱体形成电容，对G5的输入电容(C i ~10pF)充电。圆柱体/电线配置可以具有几 pF 或更小数量级的电容。因此，要在 G5 的输入端存储所需的电荷量，需要一个大电压。断线的两端连接到 ~30V 振幅的异相方波。从示意图上看，我们有一个 ~1pF 和 ~10pF 的电容器串联组合，由 30V 的电位差充电（图 2b）。要切换栅极，其输入电容 C i上的电压应按 V T的数量级变化，其输入逻辑阈值电压。尽管电源电压为 25-35V，但栅极的工作电压仅为 3V。CD4069/40106 的 3V 电源意味着 V T 大约为 1.5V。尽管两个电容器的电荷相同，但它们的电压相差 10 倍——如果栅极输入电容器 Ci充电至 ~1.5V，则线柱电容器 C T 充电至~15V。因此，25-35V 的电源是产生方波信号施加到测试线两端的不错选择。

使用异常 CMOS 门电路检测断线第2张

图 2 使用 CMOS 存储单元的断线检测器示意图（虚线框所示）。如果使用 CD40106，振荡器（施密特输入）只需要一个门。可以将额外的栅极与存储单元 G5 和 G6 串联，以形成完全独立的 LED 驱动器。如果需要，可以直接使用双色 LED，因为 LED 的方向可以同时反转。建议使用明亮的 LED 和至少 30V 的电源。也可以在 Q3 的基极使用电阻分压器网络来获得 3V 电源。当管子越过裂缝时，LED 的光会翻转。需要注意的是，某些版本的 CD4069 可能由于 V T值较低而无法作为非稳态器件正常工作。
使用门 G1-G4 生成方波。G3 和 G4 的输出反相控制 Q1 和 Q2。门 G5 和 G6 形成存储单元，存储到达输入的逻辑状态。LED 指示所选非稳态阶段的内存内容（此处为 G4 的输出）。当管子穿过断口时，LED 会改变状态。

使用异常 CMOS 门电路检测断线第3张