In dit bericht zullen we leren hoe we NOT, AND, NAND, OR en NOR logische poorten kunnen bouwen met behulp van discrete transistors. Het belangrijkste voordeel van het gebruik van logische transistorpoorten is dat ze zelfs kunnen werken met spanningen tot 1,5 V.
In sommige elektronische toepassingen kan de beschikbare spanning onvoldoende zijn om TTL- of zelfs CMOS-IC's van stroom te voorzien. Dit geldt met name voor gadgets die op batterijen werken. Ongetwijfeld heb je altijd de 3-volt logische IC-optie. Deze zijn echter niet altijd gemakkelijk toegankelijk voor de liefhebber of experimentator, en ze werken niet onder hun gedefinieerde spanningsspecificaties (meestal lager dan 2,5 volt DC).
Verder is er misschien maar plaats voor een enkele 1,5 volt batterij in een batterijgevoede toepassing. Nou, wat ga je dan doen? Gebruikelijk IC logische poorten zou kunnen worden vervangen door logische poorten met transistoren. Voor elke specifieke logische poort zijn over het algemeen slechts een paar transistors nodig, en voor een typische NOT-poortomvormerlogica is slechts één transistor vereist.
FET's versus bipolaire transistor
Veldeffecttransistoren (FET's) vs bipolaire transistoren : wat is de betere optie voor logische laagspanningscircuits? Een geweldige functie van FEITEN is dat hun 'aan'-weerstand ongelooflijk laag is. Bovendien hebben ze een zeer lage gate-inschakelstroom nodig.
Ze hebben echter één beperking in toepassingen met extreem lage spanning. Typisch is de poortspanningslimiet één volt of zo. Bovendien kan de beschikbare spanning dalen tot onder het optimale werkbereik van de FET als er een stroombegrenzende of neerwaartse weerstand op de poort is aangesloten.
Omgekeerd hebben bipolaire schakeltransistoren een voordeel bij toepassingen met een enkele batterij met extreem lage spanning, omdat ze slechts 0,6 tot 0,7 volt nodig hebben om in te schakelen.
Bovendien zijn de meeste gangbare FET's, die normaal gesproken in bubbelverpakkingen worden verkocht bij uw dichtstbijzijnde elektronicawinkel, vaak duurder dan bipolaire transistors. Ook zou een bulkpakket bipolaire transistors over het algemeen kunnen worden gekocht voor de prijs van een paar FET's.
FET-afhandeling vereist aanzienlijk meer zorg dan bipolaire transistorafhandeling. Elektrostatisch en algemeen experimenteel misbruik maken FET's bijzonder gevoelig voor beschadiging. Verbrande componenten kunnen een plezierige, creatieve avond van experimenteren of innovatie verpesten, en niet te vergeten de emotionele pijn van het debuggen.
Basisprincipes van het schakelen van transistoren
De voorbeelden van logische circuits die in dit artikel worden uitgelegd, maken gebruik van bipolaire NPN-transistoren omdat ze betaalbaar zijn en geen speciale behandeling nodig hebben. Om schade aan het apparaat of de onderdelen die het ondersteunen te voorkomen, moeten passende veiligheidsmaatregelen worden genomen voordat u uw stroomkring aansluit.
Hoewel onze circuits voornamelijk zijn gecentreerd op bipolaire junctietransistoren (BJT's), hadden ze even goed kunnen worden gebouwd met behulp van FET-technologie.
Het basisschakelcircuit is een eenvoudige transistortoepassing, wat een van de gemakkelijkste ontwerpen is.
Een NIET-poort maken met een enkele transistor
Een schema van de transistorschakelaar wordt getoond in figuur 1. Afhankelijk van hoe deze is geïmplementeerd in een bepaalde toepassing, kan de schakelaar worden gezien als laag of normaal open gehouden.
Een eenvoudige logische poort van de NOT-poortomvormer kan worden gemaakt door het eenvoudige schakelcircuit dat wordt getoond in figuur 1 (waarbij punt A de ingang is). Een NOT-poort werkt zo dat als er geen DC-bias wordt geleverd aan de basis van de transistor (punt A; Q1), deze uitgeschakeld blijft, wat resulteert in een hoge of logische 1 (gelijk aan V+ niveau) aan de uitgang ( punt B).
De transistor wordt echter geactiveerd wanneer de juiste voorspanning wordt geleverd aan de basis van Q1, waardoor de uitgang van het circuit laag wordt of naar logisch 0 (bijna gelijk aan nulpotentiaal). De transistor, aangeduid als Q1, is een bipolaire transistor voor algemeen gebruik, of een BC547, die typisch wordt gebruikt in laagvermogenschakelingen en versterkertoepassingen.
Elke transistor die er gelijkwaardig aan is (zoals de 2N2222, 2N4401, etc.) zou werken. De waarden van R1 en R2 werden gekozen om een compromis te bereiken tussen lage stroomverbruik en compatibiliteit. In alle ontwerpen zijn de weerstanden allemaal 1/4 watt, 5% eenheden.
De voedingsspanning is instelbaar tussen 1,4 en 6 volt DC. Merk op dat de schakeling als een buffer kan werken wanneer de belastingsweerstand en de uitgangsverbinding naar de emitter van de transistor worden verschoven.
Een bufferpoort maken met een enkele BC547 BJT
Een spanningsvolger of bufferversterker is een type logische schakelconfiguratie die identiek is aan die getoond in figuur 2. Opgemerkt moet worden dat de belastingsweerstand en uitgangsklem zijn verschoven van de collector van de transistor naar zijn emitter in dit circuit, dat is het belangrijkste verschil tussen dit ontwerp en degene die wordt getoond in Fig. 1.
De werking van de transistor kan ook worden 'omgedraaid' door de belastingsweerstand en uitgangsklem naar het andere uiteinde van de BJT te verplaatsen.
Met andere woorden, wanneer er geen voorspanning wordt verschaft aan de ingang van de schakeling, blijft de uitgang van de schakeling laag; wanneer echter een voorspanning van voldoende spanning wordt geleverd aan de ingang van de schakeling, wordt de uitgang van de schakeling hoog. (Dat is precies het tegenovergestelde van wat er in het eerdere circuit gebeurt.)
Logische poorten met twee ingangen ontwerpen met behulp van transistors
EN-poort met twee transistoren
Figuur 3 illustreert hoe een eenvoudige EN-poort met twee ingangen kan worden gemaakt met behulp van een paar buffers, samen met de waarheidstabel voor die poort. De waarheidstabel illustreert wat de outputresultaten zouden zijn voor elke afzonderlijke set inputs. Punten A en B worden gebruikt als ingangen van het circuit en punt C dient als uitgang van het circuit.
Het is belangrijk om uit de waarheidstabel op te merken dat slechts één set ingangsparameters resulteert in een logisch-hoog uitgangssignaal, terwijl alle andere ingangscombinaties resulteren in een logisch-lage uitgang. De uitvoer van de EN-poort in figuur 3 blijft iets onder V + zodra deze hoog wordt.
Dit gebeurt vanwege de spanningsval tussen de twee transistoren (Q1 en Q2).
NAND-poort met twee transistoren
Een andere variant van de schakeling in figuur 3 en de bijbehorende waarheidstabel worden getoond in figuur 4. De schakeling verandert in een NAND-poort door de uitgang (punt C) en uitgangsweerstand te verschuiven naar de collector van de bovenste transistor (Q1).
Aangezien zowel Q1 als Q2 AAN moeten worden geschakeld om de lage kant van R1 naar aarde te trekken, is het spanningsverlies aan uitgang C onbeduidend.
Als de transistor EN of transistor NAND-poorten meer dan twee ingangen nodig hebben, zouden er in de getoonde ontwerpen meer transistoren kunnen worden aangesloten om drie, vier, enz. ingangs-EN- of NAND-poorten te verschaffen.
Om echter de spanningsverliezen van de afzonderlijke transistoren te compenseren, moet V+ dienovereenkomstig worden verhoogd.
OF-poort met twee transistoren
Een andere vorm van logisch circuit met twee ingangen is te zien in figuur 5, samen met de waarheidstabel van het OF-poortcircuit.
De uitgang van het circuit is hoog wanneer ingang A of ingang B hoog wordt geduwd, maar vanwege de gecascadeerde transistors is de spanningsval meer dan 0,5 volt. Nogmaals, de weergegeven cijfers geven aan dat er voldoende spanning en stroom is om de volgende transistorpoort te bedienen.
NOR-poort met twee transistoren
Afbeelding 6 toont de volgende poort op onze lijst, een NOR-poort met twee ingangen, samen met de waarheidstabel. Net zoals AND- en NAND-poorten op elkaar reageren, doen OF- en NOR-circuits hetzelfde.
Elk van de weergegeven poorten kan voldoende aandrijving leveren om ten minste één of meer aangrenzende transistorpoorten te activeren.
Transistor Logic Gate-toepassingen
Wat doe je met de hierboven toegelichte digitale schakelingen die je nu bezit? Alles wat je zou kunnen bereiken met conventionele TTL- of CMOS-poorten, maar zonder je zorgen te maken over de voedingsspanningsbeperkingen. Hier zijn een paar toepassingen van transistor-logische poorten in actie.
Demultiplexer Circuit
Een 1-of-2 demultiplexer met drie NOT-poorten en twee NAND-circuits is te zien in figuur 7. De juiste uitvoer wordt gekozen met behulp van de één-bits 'adresinvoer', die ofwel OUTPUT1 of OUTPUT2 kan zijn, terwijl de stuurinformatie wordt toegepast naar het circuit met behulp van de DATA-ingang.
De schakeling werkt het meest effectief wanneer de datasnelheid onder 10 kHz wordt gehouden. De functionaliteit van het circuit is eenvoudig. De DATA-ingang wordt voorzien van het vereiste signaal, dat Q3 AAN zet en de binnenkomende gegevens op de collector van Q3 omkeert.
De uitgang van Q1 wordt hoog gestuurd als de ADDRESS-ingang laag is (geaard of er is geen signaal). Bij de collector van de Q1 wordt de hoge output in twee paden verdeeld. In het eerste pad wordt de uitvoer van Q1 geleverd aan de basis van Q5 (een van de poten van een NAND-poort met twee ingangen), waardoor deze wordt ingeschakeld en daarom de NAND-poort bestaande uit Q4 en Q5 wordt 'geactiveerd'.
In het tweede pad wordt de hoge output van Q1 gelijktijdig geleverd aan de input van een andere NOT-poort (Q2). Na een dubbele inversie te hebben ondergaan, wordt de output van Q2 laag. Dit laag wordt geleverd aan de basis van Q7 (een aansluiting van een tweede NAND-poort, bestaande uit Q6 en Q7), waardoor het NAND-circuit wordt uitgeschakeld.
Alle informatie of signalen die op de DATA-ingang worden toegepast, komen onder deze omstandigheden aan op OUTPUT1. Als alternatief wordt de situatie omgekeerd als een hoog signaal wordt gegeven aan de ADDRESS-ingang. Dit betekent dat alle informatie die aan het circuit wordt verstrekt, wordt weergegeven op OUTPUT2 omdat de Q4/Q5 NAND-poort is uitgeschakeld en de Q6/Q7 NAND-poort is ingeschakeld.
Oscillatorcircuit (klokgenerator)
Onze volgende logische poorttoepassing voor transistoren, geïllustreerd in Fig. 8, is een basisklokgenerator (ook bekend als een oscillator) gemaakt van drie gewone NOT-poortomvormers (waarvan er één is voorgespannen met behulp van een feedbackweerstand, R2, die deze in het analoge gebied).
Om de output af te bakenen, is een derde NOT-poort (Q3) opgenomen die het complement aan de oscillatoroutput levert. De C1-waarde kan worden verhoogd of verlaagd om de werkfrequentie van het circuit te wijzigen. De uitgangsgolfvorm heeft een frequentie van ongeveer 7 kHz met V+ bij 1,5 volt DC, waarbij de aangegeven componentwaarden worden gebruikt.
RS-vergrendelingscircuit
Fig. 9 toont ons laatste toepassingscircuit, een RS-latch bestaande uit twee NOR-poorten. Om een gezonde uitgangsaandrijving bij de Q- en Q-uitgangen te garanderen, zijn de weerstanden R3 en R4 afgesteld op 1k ohm.
De waarheidstabel van de RS-latch wordt weergegeven naast het schematische ontwerp. Dit zijn slechts enkele illustraties van de verschillende betrouwbare, laagspannings-, digitale, logische poortschakelingen die kunnen worden gemaakt met behulp van individuele transistors.
Circuits die getransistoriseerde logica gebruiken, hebben te veel onderdelen nodig
Veel problemen kunnen worden opgelost met behulp van al deze laagspanningstransistorische logische circuits. Het gebruik van te veel van deze getransistoriseerde poorten kan echter tot nieuwe problemen leiden.
Het aantal transistors en weerstanden kan behoorlijk groot worden als de toepassing die u aan het bouwen bent een grote hoeveelheid poorten bevat, die waardevolle ruimte in beslag nemen.
Het gebruik van transistorarrays (veel transistors in plastic) en SIP-weerstanden (Single Inline Package) in plaats van afzonderlijke eenheden is een manier om dit probleem op te lossen.
De bovenstaande aanpak kan een ton ruimte besparen op een pcb terwijl de prestaties gelijk blijven aan die van hun equivalenten op ware grootte. Transistorarrays worden aangeboden in oppervlaktemontage, 14-pins doorgaande gaten en quadpack-verpakkingen.
Voor de meeste circuits kan het mengen van transistortypen heel acceptabel zijn.
Desalniettemin is het raadzaam dat de onderzoeker met een enkel type transistor werkt voor het bouwen van de getransistoriseerde logische circuits (wat betekent dat als je een sectie van een poort maakt met BC547, probeer dan dezelfde BJT te gebruiken voor het maken van de andere resterende poorten).
De redenering is dat verschillende transistorvarianten enigszins verschillende eigenschappen kunnen hebben en zich dus anders kunnen gedragen.
Voor sommige transistors kan de basisinschakellimiet bijvoorbeeld groter of kleiner zijn dan die van een andere, of een algemene stroomversterking die iets hoger of lager is.
Aan de andere kant kunnen de kosten van het kopen van een bulkdoos van een enkel type transistor ook lager zijn. De prestaties van uw circuits zullen verbeteren als uw logische poorten worden gebouwd met behulp van bijpassende transistors, en het project in zijn geheel zal uiteindelijk meer lonend zijn.
