Перейти к содержанию

CD4011 и CD4093 — четыре элемента 2И-НЕ

CD4011 и CD4093 — четыре элемента 2И-НЕ серии КМОП 4000 с одинаковыми выводами. Разница во входах: у CD4093 на каждом входе триггер Шмитта, поэтому он чисто переключается от медленных и зашумлённых сигналов, и на одном его элементе с резистором и конденсатором получается генератор. Разбираем по даташитам TI и onsemi.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

CD4011B и CD4093B — микросхемы серии КМОП 4000 с четырьмя двухвходовыми элементами И-НЕ. Питание у них одинаковое — 3–18 В, — и выводы совпадают. Отличаются входы: у CD4011 обычные, у CD4093 на каждом входе триггер Шмитта. onsemi так и пишет: MC14093B может заменить MC14011B, когда нужна лучшая помехоустойчивость или нужно сделать крутыми медленно меняющиеся сигналы.

Распиновка

CD4011 и CD4093, вид сверху: 1 и 2 входы A, 3 выход A, 4 выход B, 5 и 6 входы B, 7 VSS, 8 и 9 входы C, 10 выход C, 11 выход D, 12 и 13 входы D, 14 VDDCD40931A12A23YA4YB5B16B27VSS8C19C210YC11YD12D113D214VDDвид сверху
CD4011 и CD4093 в корпусе DIP-14, вид сверху
ЭлементВходыВыход
A1, 23
B5, 64
C8, 910
D12, 1311

Питание: VDD — вывод 14, VSS — вывод 7. Неиспользуемые входы по требованию onsemi подключают к VSS или VDD, неиспользуемые выходы оставляют свободными.

Пороги и гистерезис CD4093

Обычный элемент КМОП переключается примерно на середине питания, и на медленном или зашумлённом фронте его выход может дрожать. У триггера Шмитта два порога: при росте входа выход переключается на верхнем VP, при спаде — на нижнем VN. Разница — гистерезис — не даёт шуму на фронте вызвать лишние переключения.

По даташиту TI при 25 °C:

ПитаниеПорог включения VPПорог выключения VNГистерезис
5 В2,2–3,6 В, 2,9 В типично0,9–2,8 В, 1,9 В типично0,3–1,6 В, 0,9 В типично
10 В4,6–7,1 В, 5,9 В типично2,5–5,2 В, 3,9 В типично1,2–3,4 В, 2,3 В типично
15 В6,8–10,8 В, 8,8 В типично4,0–7,4 В, 5,8 В типично1,6–5 В, 3,5 В типично

onsemi для MC14093B при 5 В даёт те же пороги, а гистерезис — 0,3–2,0 В, 1,1 В типично. Пороги нормированы широко: верхний может оказаться где угодно между 2,2 и 3,6 В. Схему, которая должна срабатывать при точном напряжении, на CD4093 не строят — для этого есть компараторы.

TI для CD4093 указывает: ограничения на длительность фронтов входа нет. Поэтому его ставят там, где сигнал медленный — после RC-фильтра от дребезга кнопки, на выходе датчика, на длинной линии. Для обычных микросхем серии 4000 медленный фронт нежелателен: например, у CD4013 TI ограничивает фронт такта 15 мкс при 5 В, и CD4093 перед ним решает задачу.

Параметры

ПараметрCD4011BCD4093B
Питание3–18 В3–18 В
Ток покоя при 5 В—0,02 мкА типично, до 1 мкА
Входной токдо 1 мкА при 18 Вдо 1 мкА при 18 В
Помехоустойчивость при 5 В1 Вгистерезис 0,3–1,6 В
Задержка60 нс типично при 10 В и 50 пФ—
Нагрузочная способность выхода (onsemi)—два маломощных ТТЛ-входа

RC-генератор на одном элементе

TI называет среди применений CD4093 генераторы и одновибраторы. Простейший генератор — один элемент, резистор и конденсатор:

  1. Один вход элемента — к питанию, тогда элемент работает как инвертор. Если подать на этот вход логический сигнал, он будет включать и выключать генератор.
  2. Резистор R — между выходом и вторым входом.
  3. Конденсатор C — от второго входа к общему проводу.

Пока на входе низкий уровень, выход в единице и заряжает конденсатор через R. Когда напряжение на нём дойдёт до VP, выход перейдёт в ноль и начнёт разряжать конденсатор до VN, и так далее. Время заряда и разряда по экспоненте:

tзаряд=RCln⁡VDD−VNVDD−VP,tразряд=RCln⁡VPVN.t_\text{заряд} = RC \ln\frac{V_{DD} - V_N}{V_{DD} - V_P}, \qquad t_\text{разряд} = RC \ln\frac{V_P}{V_N}.

При 5 В и типовых порогах TI (2,9 и 1,9 В): tзаряд = RC · ln(3,1 / 2,1) ≈ 0,39 RC, tразряд = RC · ln(2,9 / 1,9) ≈ 0,42 RC, период около 0,81 RC. Для R = 100 кОм и C = 10 нФ это примерно 8 · 10⁻⁴ с, то есть около 1,2 кГц.

Но если у конкретного экземпляра гистерезис минимальный — например, пороги 2,2 и 1,9 В, — то tзаряд ≈ 0,10 RC, tразряд ≈ 0,15 RC, и период уменьшается до 0,25 RC — частота втрое выше. Поэтому генератор на CD4093 годится для мигалок, пищалок и тактирования без требований к точности. Для стабильной частоты берут таймер 555 или кварц, а другие схемы мультивибраторов разобраны в глоссарии.

Логика с триггером Шмитта серии 74HC — инверторы 74HC14, другие микросхемы — в разделе «Логика».

Частые вопросы

Какая распиновка у CD4093 и CD4011?

Одинаковая, по даташитам TI в корпусе DIP-14: входы 1 и 2 — выход 3, входы 5 и 6 — выход 4, входы 8 и 9 — выход 10, входы 12 и 13 — выход 11; 7 — VSS (общий), 14 — VDD. Поэтому onsemi называет MC14093B заменой MC14011B вывод в вывод.

Чем CD4093 отличается от CD4011?

Входами. У CD4093 на каждом входе триггер Шмитта: элемент включается и выключается при разных напряжениях, разница между ними — гистерезис, по TI 0,9 В типично при питании 5 В. Поэтому CD4093 чисто переключается от медленных и зашумлённых сигналов, а TI снимает для него ограничение на длительность фронтов входа. CD4011 — обычные элементы И-НЕ.

Как сделать генератор на CD4093?

Один вход элемента подключают к питанию — это вход разрешения, — между выходом и вторым входом ставят резистор, а от второго входа к общему проводу — конденсатор. Конденсатор заряжается и разряжается между порогами триггера Шмитта, и на выходе получаются прямоугольные импульсы. При типовых порогах TI для 5 В период около 0,8 · R · C.

Почему частота генератора на CD4093 отличается от расчёта?

Потому что пороги триггера Шмитта нормированы широко: по TI при питании 5 В порог включения — от 2,2 до 3,6 В, выключения — от 0,9 до 2,8 В, а гистерезис — от 0,3 до 1,6 В. Частота зависит от этих порогов и поэтому меняется от экземпляра к экземпляру в разы. Для точной частоты берут таймер 555 или кварцевый генератор.

Источники

  1. Texas Instruments (Harris). CD4011B, CD4012B, CD4023B Types: CMOS NAND Gates (SCHS021D, revised September 2003) — с. 1 — четыре элемента 2И-НЕ, буферизованные входы и выходы, задержка 60 нс типично при 10 В и 50 пФ, входной ток до 1 мкА при 18 В, помехоустойчивость 1, 2 и 2,5 В при 5, 10 и 15 В, питание 3–18 В (предельно 20 В), ток на вход до ±10 мА; выводы CD4011B: 1, 2 → 3; 5, 6 → 4; 8, 9 → 10; 12, 13 → 11; 7 — VSS, 14 — VDD
  2. Texas Instruments (Harris). CD4093B Types: CMOS Quad 2-Input NAND Schmitt Triggers (SCHS115D, revised September 2003) — с. 1 — триггер Шмитта на каждом входе, гистерезис 0,9 В типично при 5 В и 2,3 В при 10 В, нет ограничения на фронты входа, применения: формирователи импульсов, одновибраторы и генераторы; выводы как у CD4011B; с. 2 — пороги при 25 °C и 5 В: включение 2,2–3,6 В (2,9 типично), выключение 0,9–2,8 В (1,9 типично), гистерезис 0,3–1,6 В; при 10 В: 4,6–7,1 и 2,5–5,2 В; ток покоя 0,02 мкА типично, до 1 мкА при 5 В
  3. onsemi. MC14093B: Quad 2-Input NAND Schmitt Trigger (MC14093B/D, Rev. 11, August 2025) — заменяет MC14011B для лучшей помехоустойчивости и формирования медленных сигналов; совместим по выводам с CD4093; питание 3–18 В; два маломощных ТТЛ-входа нагрузки; пороги при 25 °C и 5 В: VT+ 2,2–3,6 В (2,9 типично), VT− 0,9–2,8 В (1,9 типично), гистерезис 0,3–2,0 В (1,1 типично); неиспользуемые входы — на VSS или VDD; исполнения NLV по AEC-Q100

Нашли ошибку?

Смотрите также