КМОП устройства имеют большое входное сопротивление с входными токами порядка 0.01 нА. Добавление цепи обратной связи позволяет создать устройство, похожее на защелку, которое может использоваться для хранения битов, а также работать в «более аналоговом» режиме, как показано в этой статье, чтобы точно определять место обрыва провода.
Сначала давайте рассмотрим использование КМОП вентилей в качестве запоминающих устройств. На Рисунке 1 показана схема одноразрядной прозрачной защелки. Шесть инверторов микросхемы CD4069 позволяют сделать 3-битную защелку, а при использовании сборки из шести буферов CD4050 можно сделать 6-битную защелку. В случае инверторов ячейка памяти образуется парой логических элементов. Выход одного инвертора соединяется с входом другого через резистор с большим сопротивлением.
 | |
| Рисунок 1. | Прозрачная защелка на основе обычных КМОП инверторов. Вход данных – «D», вход разрешения – «E». |
На входе также включен конденсатор небольшой емкости, обеспечивающий защиту от помех (как по питанию, так и по входу). Кроме того, он помогает установить временные ограничения для входных сигналов. Транзистор используется для защелкивания данных в ячейке памяти. В эмиттер n-p-n транзистора подаются данные, а его базовый вывод служит для управления их передачей на вход ячейки. Данные подаются на вход D, а короткий положительный импульс – на вход E. За время, определяемое постоянной времени RC, эти данные копируются в ячейку памяти. Ячейки памяти на основе инвертора могут иметь как прямые, так и инверсные выходы данных, в то время как ячейки на основе буферов имеют только неинвертирующие выходы. Резистор обратной связи можно заменить диодом, смещенным в обратном направлении, так как входное сопротивление инверторов очень велико. Диод, смещенный в обратном направлении, проводит ток порядка 1 нА, что все равно на два порядка больше, чем входной ток затвора КМОП вентиля.
Сказать, что в проводе есть обрыв, легко, но точно определить его местонахождение трудно. Мы исследуем способ обнаружения такого обрыва с использованием рассмотренной выше ячейки памяти.
На Рисунке 2а оборванный провод образует емкость с детекторным цилиндром длиной 1-3 см, через который проходит провод, и заряжает входную емкость CI инвертора G5, равную примерно 10 пФ. Конфигурация цилиндр/провод может иметь емкость порядка нескольких пФ или меньше. Следовательно, для накопления необходимого количества заряда на входе G5 требуется большое напряжение. Противоположные концы оборванного провода запитываются противофазными прямоугольными импульсами амплитудой приблизительно 30 В. Схематически мы имеем комбинацию из включенных последовательно конденсаторов примерно 1 пФ и 10 пФ, заряжаемых разностью потенциалов 30 В (Рисунок 2б). Чтобы переключать логический элемент, напряжение на его входной емкости CI должно изменяться на величину порядка VT – его напряжения входного логического порога. Логические элементы работают при напряжении всего 3 В, хотя напряжение питания составляет 25-35 В. При питании CD4069/40106 напряжением 3 В напряжение VT равно примерно 1.5 В. Несмотря на то, что оба конденсатора имеют одинаковый заряд, их напряжения различаются в 10 раз – если входная емкость логического элемента CI заряжается примерно до 1.5 В, емкость цилиндрической намотки CT заряжается приблизительно до 15 В. Таким образом, напряжение 25-35 В является хорошим выбором для генератора прямоугольных импульсов, подаваемых на два конца поверяемого провода.
 | |
| Рисунок 2. | Принципиальная схема детектора обрыва провода с использованием КМОП ячейки памяти (показана в пунктирной рамке). При использовании инверторов с триггерами Шмитта на входах (CD40106) для генератора потребуется только один логический элемент. Чтобы иметь полностью отделенный драйвер светодиода, последовательно с ячейкой памяти G5-G6 можно включить дополнительный элемент. При желании можно напрямую использовать двухцветный светодиод, поскольку состояние светодиодов меняется одновременно. Рекомендуется использовать яркие светодиоды и напряжение питания не менее 30 В. Также возможно использование резистивного делителя в базе транзистора Q3 для получения напряжения питания 3 В. Когда цилиндр проходит над местом обрыва, свечение светодиодов меняется на противоположное. Следует иметь в виду, что некоторые версии CD4069 могут работать нестабильно из-за низкого уровня порога VT. |
Прямоугольные импульсы формируются с помощью логических элементов G1-G4. Выходные импульсы элементов G3 и G4 противофазно управляют транзисторами Q1 и Q2. Элементы G5 и G6 образуют ячейку памяти, в которой хранится логическое состояние, поступающее на вход. Светодиоды индицируют содержимое ячейки памяти в выбранной фазе генератора (здесь – выход элемента G4). Когда цилиндр проходит над местом обрыва, состояние светодиодов меняется.
 | |
| Рисунок 3. | Здесь показано, как светодиоды реагируют на положение цилиндра. |
 | |
| Рисунок 4. | Рекомендуемый способ подключения для многожильного кабеля. |