În această postare vom învăța cum să construim porți logice NOT, AND, NAND, OR și NOR folosind tranzistori discreti. Principalul avantaj al utilizării porților logice cu tranzistori este că pot funcționa chiar și cu tensiuni de până la 1,5 V.
În unele aplicații electronice, tensiunea disponibilă poate fi inadecvată pentru a alimenta circuitele integrate TTL sau chiar CMOS. Acest lucru este valabil mai ales pentru gadgeturile care funcționează cu baterii. Fără îndoială, aveți întotdeauna opțiunea IC logic de 3 volți. Cu toate acestea, acestea nu sunt întotdeauna ușor accesibile pentru entuziast sau experimentator și nu funcționează sub specificațiile de tensiune definite (în general sub 2,5 volți DC).
În plus, ar putea fi loc doar pentru o singură baterie de 1,5 volți într-o aplicație alimentată cu baterie. Ei bine, atunci ce ai de gând să faci? De obicei Porți logice IC ar putea fi înlocuite cu porți logice tranzistorizate. Pentru fiecare poartă logică particulară, sunt necesare în general doar câteva tranzistoare, iar pentru o logică tipică a invertorului de poartă NOT, este necesar doar un tranzistor.
FET-uri versus tranzistor bipolar
Tranzistori cu efect de câmp (FET) vs tranzistoare bipolare : care este opțiunea mai bună pentru circuitele logice de joasă tensiune? O mare caracteristică a FAPTE este că rezistența lor „pornire” este incredibil de scăzută. În plus, au nevoie de un curent foarte scăzut de pornire a porții.
Cu toate acestea, au o limitare în aplicațiile de tensiune extrem de joasă. De obicei, limita de tensiune la poartă este de un volt sau cam asa ceva. În plus, tensiunea disponibilă poate scădea sub intervalul optim de lucru al FET-ului dacă la poartă este atașat un rezistor de limitare a curentului sau de tragere în jos.
În schimb, tranzistoarele bipolare de comutare au un avantaj în aplicațiile cu o singură baterie de tensiune extrem de joasă, deoarece au nevoie doar de 0,6 până la 0,7 volți pentru a porni.
În plus, majoritatea FET-urilor obișnuite, care sunt vândute în mod normal în pachete cu bule la cel mai apropiat magazin de electronice, sunt adesea mai costisitoare decât tranzistoarele bipolare. De asemenea, un pachet masiv de tranzistoare bipolare ar putea fi achiziționat în general la prețul unei perechi de FET.
Manipularea FET necesită mult mai multă atenție decât manipularea tranzistorului bipolar. Utilizarea greșită electrostatică și experimentală generală fac ca FET-urile să fie deosebit de predispuse la deteriorare. Componentele arse pot ruina o seară plăcută, creativă de experimentare sau inovație, fără a uita durerea emoțională a depanării.
Bazele comutării tranzistorilor
Exemplele de circuite logice explicate în acest articol folosesc tranzistoare bipolare NPN, deoarece sunt accesibile și nu necesită manipulare specială. Pentru a evita deteriorarea dispozitivului sau a pieselor care îl susțin, trebuie luate măsuri de siguranță adecvate înainte de a conecta circuitul.
Chiar dacă circuitele noastre sunt centrate în principal pe tranzistoare cu joncțiune bipolară (BJT), ele ar fi putut fi la fel de bine construite folosind tehnologia FET.
Circuitul comutator de bază este o aplicație simplă de tranzistor, care este unul dintre cele mai ușoare modele.
Realizarea unei porți NOT cu un singur tranzistor
O schemă a comutatorului tranzistorului este prezentată în Figura 1. În funcție de modul în care este implementat într-o anumită aplicație, comutatorul poate fi văzut ca fiind menținut la un nivel scăzut sau normal deschis.
O poartă logică simplă a invertorului de poartă NOT poate fi creată prin circuitul de comutare simplu prezentat în Fig. 1 (unde punctul A este intrarea). O poartă NOT funcționează în așa fel încât, dacă nu este furnizată polarizare DC la baza tranzistorului (punctul A; Q1), aceasta va rămâne oprită, rezultând un 1 ridicat sau logic (egal cu nivelul V+) la ieșire ( punctul B).
Cu toate acestea, tranzistorul se activează atunci când polarizarea adecvată este furnizată la baza lui Q1, împingând ieșirea circuitului la un nivel scăzut sau la 0 logic (aproape egal cu potențialul zero). Tranzistorul, denumit Q1, este un tranzistor bipolar de uz general sau un BC547, care este utilizat de obicei în aplicații de comutare și amplificatoare de putere redusă.
Orice tranzistor care este echivalent cu acesta (cum ar fi 2N2222, 2N4401 etc.) ar funcționa. Valorile R1 și R2 au fost selectate pentru a ajunge la un compromis între consumul scăzut de curent și compatibilitate. În toate modelele, rezistențele sunt toate de 1/4 watt, 5% unități.
Tensiunea de alimentare este reglabilă între 1,4 și 6 volți DC. Rețineți că circuitul poate funcționa ca un tampon atunci când rezistența de sarcină și conexiunea de ieșire sunt mutate la emițătorul tranzistorului.
Realizarea unei porți tampon folosind un singur BC547 BJT
Un urmăritor de tensiune, sau un amplificator tampon, este un tip de configurație de comutare logică identică cu cea prezentată în Figura 2. Trebuie remarcat faptul că rezistorul de sarcină și terminalul de ieșire au fost deplasate de la colectorul tranzistorului la emițătorul său în acest circuit, care este diferența principală dintre acest design și cel prezentat în Fig. 1.
Funcționarea tranzistorului poate fi, de asemenea, „inversată” prin mutarea rezistenței de sarcină și a terminalului de ieșire la celălalt capăt al BJT.
Cu alte cuvinte, atunci când nu este furnizată nicio polarizare la intrarea circuitului, ieșirea circuitului rămâne scăzută; cu toate acestea, atunci când o polarizare de tensiune adecvată este furnizată la intrarea circuitului, ieșirea circuitului devine ridicată. (Acesta este exact opusul a ceea ce se întâmplă în circuitul anterior.)
Proiectarea porților logice cu două intrări folosind tranzistori
ȘI Poarta folosind două tranzistoare
Figura 3 ilustrează modul în care poate fi creată o poartă AND de bază cu două intrări folosind o pereche de buffere, împreună cu tabelul de adevăr pentru acea poartă. Tabelul de adevăr ilustrează care ar fi rezultatele de ieșire pentru fiecare set distinct de intrări. Punctele A și B sunt folosite ca intrări ale circuitului, iar punctul C servește ca ieșire a circuitului.
Este important de remarcat din tabelul de adevăr că doar un set de parametri de intrare are ca rezultat un semnal logic de ieșire ridicat, în timp ce toate celelalte combinații de intrare au ca rezultat o ieșire logic-scăzută. Ieșirea porții AND din Figura 3 rămâne ușor sub V+ odată ce devine ridicată.
Acest lucru se întâmplă din cauza căderii de tensiune între cele două tranzistoare (Q1 și Q2).
Poarta NAND folosind două tranzistoare
O altă variantă a circuitului din Figura 3 și tabelul de adevăr asociat sunt prezentate în Figura 4. Circuitul se transformă într-o poartă NAND prin deplasarea ieșirii (punctul C) și a rezistenței de ieșire la colectorul tranzistorului superior (Q1).
Deoarece atât Q1 cât și Q2 trebuie să fie pornite pentru a trage partea inferioară a lui R1 la masă, pierderea de tensiune la ieșirea C este nesemnificativă.
Dacă porțile tranzistorului AND sau tranzistorului NAND au nevoie de mai mult de două intrări, mai multe tranzistoare ar putea fi conectate în modelele prezentate pentru a oferi trei, patru, etc., porți de intrare AND sau NAND.
Cu toate acestea, pentru a compensa pierderile de tensiune ale tranzistoarelor individuale, V+ ar trebui să crească în mod corespunzător.
SAU Poarta folosind doi tranzistori
O altă formă de circuit logic cu două intrări poate fi văzută în Figura 5, împreună cu tabelul de adevăr al circuitului OR-gate.
Ieșirea circuitului este ridicată atunci când fie intrarea A, fie intrarea B este împinsă sus, cu toate acestea, datorită tranzistoarelor în cascadă, căderea de tensiune este de peste 0,5 volți. Din nou, cifrele afișate indică faptul că există suficientă tensiune și curent pentru a opera poarta tranzistorului ulterioară.
Poarta NOR folosind doi tranzistori
Figura 6 ilustrează următoarea poartă din lista noastră, o poartă NOR cu două intrări, împreună cu tabelul său de adevăr. Similar cu modul în care porțile AND și NAND răspund una la alta, circuitele OR și NOR fac același lucru.
Fiecare dintre porțile afișate este capabilă să furnizeze suficientă unitate pentru a activa cel puțin una sau mai multe porți adiacente ale tranzistorului.
Aplicații pentru poarta logică a tranzistorilor
Ce faci cu circuitele digitale explicate mai sus pe care le deții acum? Orice ați putea realiza cu porți convenționale TTL sau CMOS, dar fără a vă face griji cu privire la restricțiile de tensiune de alimentare. Iată câteva aplicații ale porților logice tranzistori în acțiune.
Demultiplexer Circuit
Un demultiplexor 1 din 2 cu trei porți NOT și două circuite NAND este văzut în Figura 7. Ieșirea corespunzătoare este aleasă folosind „intrarea adresei” pe un bit, care poate fi fie OUTPUT1, fie OUTPUT2, în timp ce informațiile de conducere sunt aplicate la circuit folosind intrarea DATE.
Circuitul funcționează cel mai eficient atunci când rata de date este menținută sub 10 kHz. Funcționalitatea circuitului este simplă. Intrarea DATE este furnizată cu semnalul necesar, care pornește Q3 și inversează datele primite la colectorul lui Q3.
Ieșirea lui Q1 este ridicată dacă intrarea ADRESĂ este scăzută (împământată sau nu este furnizat niciun semnal). La colectorul Q1, puterea mare este împărțită în două căi. În prima cale, ieșirea lui Q1 este furnizată bazei lui Q5 (unul dintre picioarele unei porți NAND cu două intrări), pornindu-l și, prin urmare, „activând” poarta NAND formată din Q4 și Q5.
În a doua cale, ieșirea ridicată a lui Q1 este furnizată simultan la intrarea unei alte porți NOT (Q2). După ce a suferit o dublă inversare, producția lui Q2 devine scăzută. Acest nivel scăzut este furnizat bazei lui Q7 (un terminal al unei a doua porți NAND, alcătuită din Q6 și Q7), dezactivând astfel circuitul NAND.
Orice informație sau semnal aplicat intrării DATE ajunge la OUTPUT1 în aceste circumstanțe. Alternativ, situația este inversată dacă este dat un semnal ridicat la intrarea ADRESĂ. Adică, orice informație furnizată circuitului se va afișa la OUTPUT2, deoarece poarta NAND Q4/Q5 este dezactivată și poarta NAND Q6/Q7 este activată.
Circuit oscilator (generator de ceas)
Următoarea noastră aplicație de poartă logică a tranzistorului, ilustrată în Fig. 8, este un generator de ceas de bază (cunoscut și sub numele de oscilator) format din trei invertoare de poartă NOT obișnuite (dintre care unul este polarizat folosind un rezistor de feedback, R2, care îl pune în regiunea analogică).
Pentru a compensa ieșirea, este inclusă o a treia poartă NOT (Q3) care furnizează complement la ieșirea oscilatorului. Valoarea C1 ar putea fi crescută sau micșorată pentru a schimba frecvența de funcționare a circuitului. Forma de undă de ieșire are o frecvență de aproximativ 7 kHz cu V+ la 1,5 volți DC, folosind valorile componentelor indicate.
Circuit de blocare RS
Fig. 9 prezintă circuitul nostru final de aplicare, un zăvor RS format din două porți NOR. Pentru a asigura o ieșire sănătoasă la ieșirile Q și Q, rezistențele R3 și R4 sunt ajustate la 1k ohmi.
Tabelul de adevăr al zăvorului RS este afișat alături de designul schematic. Acestea sunt doar câteva ilustrații ale mai multor circuite digitale de încredere, de joasă tensiune, cu porți logice, care pot fi create folosind tranzistori individuali.
Circuitele care folosesc logica tranzistorizată au nevoie de prea multe piese
Multe probleme pot fi rezolvate folosind toate aceste circuite logice cu tranzistori de joasă tensiune. Cu toate acestea, folosirea prea multor dintre aceste porți tranzistorizate ar putea duce la noi probleme.
Numărul de tranzistori și rezistențe ar putea deveni destul de mare dacă aplicația pe care o construiți conține o cantitate mare de porți, care ocupă spațiu valoros.
Utilizarea rezistoarelor de tranzistori (mulți tranzistori închise în plastic) și a rezistențelor SIP (Single Inline Package) în locul unităților individuale este o modalitate de a rezolva această problemă.
Abordarea de mai sus poate economisi o tonă de spațiu pe un PCB, menținând în același timp performanța egală cu cea a echivalentelor lor de dimensiune completă. Rețelele de tranzistori sunt oferite în ambalaje cu montare la suprafață, cu orificii de trecere cu 14 pini și pachete cu patru.
Pentru majoritatea circuitelor, amestecarea tipurilor de tranzistori poate fi destul de acceptabilă.
Cu toate acestea, este recomandabil ca experimentatorul să lucreze cu un singur tip de tranzistor pentru construirea circuitelor logice tranzistorizate (adică dacă creați o secțiune a unei porți folosind BC547, atunci încercați să utilizați același BJT pentru a face și celelalte porți rămase).
Raționamentul este că diferitele variante de tranzistor ar putea avea proprietăți oarecum diferite și, prin urmare, s-ar putea comporta diferit.
De exemplu, pentru un anumit tranzistor, limita de pornire a bazei poate fi mai mare sau mai mică decât altul, sau unul ar putea avea un câștig general de curent care este puțin mai mare sau mai mic.
Pe de altă parte, costul achiziționării unei cutii în vrac a unui singur tip de tranzistor ar putea fi, de asemenea, mai mic. Performanța circuitelor dvs. se va îmbunătăți dacă porțile dvs. logice sunt construite folosind tranzistori potriviți, iar proiectul în întregime va fi mai plină de satisfacții în cele din urmă.
