数字电路设计盲点实例与对策分析

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  有关消耗电流的设计盲点

 

  【CMOS标准IC构成的电路,消耗电流偏高】

  ※现象

  为了使电池能长时间动作,因此采用74HC系列的CMOS标准逻辑IC设计电路,不过实际上电路的消耗电流却比预期值高。

  ※原因分析

  如图6-1所示1个Package具有复数个电路,由于未使用的电路Input Pin呈开放状,造成开放状的Input Pin受到邻近Pin与噪讯的影响产生误动作。主要原因是CMOS逻辑IC的输入阻抗(Impedance)非常高,加上设计者误认为CMOS逻辑IC的消耗电流很低,当输出由ON变成OFF或是由OFF变成ON时,会因Switching产生极大电流。为了检讨上述推论因此利用图6-2电路作测试,该电路是由74HC00 CMO S逻辑IC所构成,NAND Gate具有四个电路,并由电池提供 Vcc=3.0V的电压,其中一个电路的输入端呈开放状,输出Pin的电压波形 (ch1)是利用插入 Vcc的100Ω电阻的压降 (ch2)特性观测,图6-3是观测波形的结果,由图可知输出Pin (ch1)的Ham出现高频波噪讯重迭形状,此时74HC00 IC内的电流值利用100Ω电阻两端的电压 (ch2) 计算约为40mA,换言之由以上的检测结果可知,Ham对电路具有强大影响,使的电路产生各种变化。

 

  

 

  

 

  ※对策

  为了让未使用的Input Pin电压Level能维持一定Level,因此将Input Pin与GND连接,如此便可解决上述问题。

 

  【噪讯混入模拟CMOS逻辑混载电路,耗电量偏高】

 

  ※现象

  图7-1是利用电池驱动的感测(Sensor)电路的部分电路图,基本上它是利用OP增幅器(Amplifier)使传感器传来的信号(正弦波)增幅,再用74HC04逻辑IC进行感测信号同步处理,然而实际上该电路却面临噪讯与耗电量偏高的困扰。

 

  

 

  ※原因分析

  主要原因是设计者误将逻辑IC当作是以临界(Threshold)电压动作的Comparator,如果仔细查阅74HC04 IC的输出特性就可发现,事实上输入电压通过74HC04 IC的临界值附近时会产生Chattering。图7-2是将10kHz正弦波施加于74HC04 In put端时的耗电量特性,图中上半段是耗电量特性的波形,下半段是输出的波形,正弦波的中央附近亦即74HC04 IC的临界值附近,电源电流呈脉冲状(3μs,20mA)增加,而该脉冲状电源电流就是造成耗电量过大与发生噪讯的主要原因,值得一提的是该状态时的74HC04 IC的电源电流平均值为0.6mA。主要原因是设计者误将逻辑IC当作是以临界(Threshold)电压动作的Comparator,如果仔细查阅74HC04 IC的输出特性就可发现,事实上输入电压通过74HC04 IC的临界值附近时会产生Chattering。图7-2是将10kHz正弦波施加于74HC04 In put端时的耗电量特性,图中上半段是耗电量特性的波形,下半段是输出的波形,正弦波的中央附近亦即74HC04 IC的临界值附近,电源电流呈脉冲状(3μs,2 0mA)增加,而该脉冲状电源电流就是造成耗电量过大与发生噪讯的主要原因,值得一提的是该状态时的74HC04 IC的电源电流平均值为0.6mA。

 

  

 

  ※对策

  模拟信号必需通过Comparator才能输入至74HC04 IC,不过却不可使High或是Low以外的信号流入逻辑电路内。图7-1的电路更换两个OP增幅器(Amplifier)替代品,其中一个使用Comparator,类似如此的设计可能是基于用途上的考虑。在一个封装Package设有两个OP增幅IC,可使用MAX951之类OP增幅器与Comparator合成的标准组件,也可以利用Schmidt Trigger Input组件,不过这类组件具备两种临界(Threshold)电压,因此对要求精密Tinning的场合,必需考虑图7-3的 信号延迟问题。

 

  

 

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