Инвертор напряжения использует выходные выводы в качестве входов, а вывод земли в качестве выхода

Радиолоцман №3-4/2024, ст.56

Когда аналоговые схемы смешиваются с цифровыми, первым иногда не нравится привычная для вторых единственная шина питания. Это создает необходимость в дополнительных источниках напряжения, часто отрицательной полярности, которые обычно обеспечиваются емкостными заря­довыми насосами.

Самый простой тип — диодный насос, состоящий всего из двух диодов и двух кон­денсаторов. Но ему присущи недостатки, свя­занные с необходимостью в отдельном источнике прямоугольных импульсов для управле­ния насосом, а также с тем, что выходное напряжение, как минимум, на два падения на диоде меньше, чем на шине питания.

Чтобы избежать этого, требуются актив­ные коммутаторы зарядового насоса (обыч­но комплементарные полевые транзисторы).

Многие КМОП микросхемы зарядовых насосов доступны в продаже. В качестве примера можно привести предлагаемые мно­гими поставщиками насосы ICL7660 и MAX1673, которые хорошо работают в тех приложениях, где токи нагрузки не слишком велики. Но они не так уж дешевы (например, 1673 при покупке штуками стоит больше $5) и, кроме того, иногда разработчик просто испытывает желание создать свой собствен­ный. Здесь проиллюстрирован пример того, что может получиться, если не сопротив­ляться этому искушению.

Сага начинается с Рисунка 1, на котором показан (значительно упрощенный) эскиз КМОП логического элемента «НЕ». Прежде всего, обратите внимание на вход­ные и выходные ограничительные диоды. Они включены главным образом для защиты микросхемы от повреждения электростати­ческими разрядами, но диод есть диод, и поэ­тому он может выполнять и другие полезные функции. В свою очередь, p-канальный поле­вой транзистор предназначен для подключе­ния шины V+ к выходу при выводе логической единицы, а работающий в паре с ним n-ка­нальный — для подключения к выводу V- при выводе нуля. Но комплементарные МОП- транзисторы во включенном состоянии охот­но проводят ток в любом направлении. Таким образом, ток, идущий от вывода к шине, рабо­тает так же хорошо, как и от шины к выводу.

На Рисунке 2 показано, как эти основные функции элементов КМОП связаны с накач­кой заряда и инверсией напряжения.

Представьте себе два инвертора, соединен­ных между собой, как показано на Рисунке 2, с прямоугольными управляющими импульса­ми, подаваемыми на вход U1 непосредствен­но, а на вход U2 — через разделительный кон­денсатор C_C; при этом входные ограничи­тельные диоды элемента U2 обеспечивают восстановление постоянной составляющей. Рассмотрим полупериод прямоугольных импульсов в состоянии «лог. 0». Оба p-кака­нальных полевых транзистора элементов U1 и U2 включатся, соединяя с шиной V+ вывод конденсатора C_P, подключенный к U1, и с землей — вывод, подключенный к U2. При этом CP будет заражаться при верхнем по схеме выводе, подключенном к V+, а нижнем — к земле. Обратите внимание на обратную полярность тока, проходящего через выход­ной вывод U2, обусловленную током конден­сатора C_P, идущим в землю через p-каналь­ный транзистор и вывод положительной шины питания элемента U2.

Затем рассмотрим, что произойдет, когда управляющий сигнал перейдет в состояние «лог. 1».

Теперь p-канальные полевые транзисто­ры закроются, а n-канальные включатся. Это заставляет заряд, ранее принятый конденса­тором CP, стекать в землю через U1 и вывод V- элемента U2, тем самым завершая цикл накачки, который доставляет квант отрица­тельного заряда

Q- = -(CpV+ + CfV-)

для накопления в C_F. Обратите внимание, что через U2 снова протекает обратный ток. Этот цикл повторится при следующем изме­нении уровня управляющего сигнала, и так далее, и так далее.

Во время запуска, пока на конденсато­ре CF не накопится напряжение, достаточное для нормальной работы внутренних схем логического элемента и управления затво­ром полевого транзистора, ограничительные диоды элемента U2 служат для выпрямле­ния сигнала возбуждения конденсатора CP и заряда CF.

Такова теория. Практическое воплощение Рисунка 2 в виде полноценного инвертора напряжения показано на Рисунке 3. На самом деле все не так сложно, как кажется.

С вывода 2 триггера Шмитта 74AC14 (U1) на схему поступает частота накачки 100 кГц. Этот сигнал подается на пять оставшихся логических элементов U1 и шесть логических элементов U2 (через разделительный кон­денсатор C2). Отрицательный заряд перено­сится через конденсатор C3 в U2 и накапли­вается в конденсаторе фильтра C5.

Но, наконец, есть ли преимущество в стои­мости, если делать насос самостоятельно? Что ж, при покупке штуками 1673 стоит $5, 7660 — около $2, а две 74AC14 можно купить всего за доллар. Стоимость пассивных ком­понентов одинакова, но предложенная схема имеет больше паяных соединений и занимает больше места на плате. Итак, что же в итоге…??

По крайней мере, то, что использование выходов в качестве входов и земли в качес­тве выхода было забавным. И запоздалая мысль. Для работы с более высоким напряжением просто замените 74AC14 микросхемой с металлическими за­творами CD40106B, тогда без каких-либо дру­гих изменений V+ и V- смогут достигать 20 В.