U ovom ćemo postu naučiti kako izgraditi NOT, AND, NAND, OR i NOR logička vrata koristeći diskretne tranzistore. Glavna prednost korištenja logičkih vrata tranzistora je ta da mogu raditi čak i s naponima od samo 1,5 V.
U nekim elektroničkim primjenama raspoloživi napon može biti neadekvatan za napajanje TTL ili čak CMOS IC-ova. To se posebno odnosi na gadgete koji rade na baterije. Bez sumnje, uvijek imate opciju 3-voltnog logičkog IC-a. Međutim, oni nisu uvijek lako dostupni entuzijastima ili eksperimentatorima i ne rade ispod svojih definiranih specifikacija napona (općenito ispod 2,5 volta DC).
Nadalje, u aplikaciji koja se napaja baterijom može biti mjesta samo za jednu bateriju od 1,5 V. Pa, što ćeš onda učiniti? Obično IC logička vrata mogu se zamijeniti tranzistoriziranim logičkim vratima. Za svaka pojedinačna logička vrata općenito je potrebno samo nekoliko tranzistora, a za tipičnu logiku NOT vrata invertera potreban je samo jedan tranzistor.
FET nasuprot bipolarnom tranzistoru
Tranzistori s efektom polja (FET) vs bipolarni tranzistori : koja je bolja opcija za niskonaponske logičke sklopove? Jedna sjajna značajka ČINJENICE je da je njihov 'on' otpor nevjerojatno nizak. Osim toga, potrebna im je vrlo niska struja uključivanja vrata.
Međutim, oni imaju jedno ograničenje u primjenama s iznimno niskim naponom. Tipično, granica napona vrata je jedan volt ili tako nešto. Nadalje, raspoloživi napon može pasti ispod FET-ovog optimalnog radnog raspona ako je na vrata priključen otpornik za ograničavanje struje ili otpornik prema dolje.
Nasuprot tome, bipolarni sklopni tranzistori imaju prednost u aplikacijama s iznimno niskim naponom i jednom baterijom budući da im je potrebno samo 0,6 do 0,7 volti za uključivanje.
Nadalje, većina uobičajenih FET-ova, koji se obično prodaju u pakiranjima s mjehurićima u vašoj najbližoj trgovini elektroničkom opremom, često su skuplji od bipolarnih tranzistora. Također, skupni paket bipolarnih tranzistora općenito se može kupiti po cijeni para FET-ova.
Rukovanje FET tranzistorom zahtijeva znatno više pažnje nego rukovanje bipolarnim tranzistorom. Elektrostatička i općenito eksperimentalna zlouporaba čine FET-ove osobito sklonima oštećenjima. Spaljene komponente mogu uništiti ugodnu, kreativnu večer eksperimentiranja ili inovacije, a da ne zaboravimo emocionalnu bol otklanjanja pogrešaka.
Osnove sklopnih tranzistora
Primjeri logičkih sklopova objašnjeni u ovom članku koriste bipolarne NPN tranzistore jer su pristupačni i ne zahtijevaju posebno rukovanje. Kako biste izbjegli oštećenje uređaja ili dijelova koji ga podržavaju, potrebno je poduzeti odgovarajuće sigurnosne mjere prije spajanja strujnog kruga.
Iako su naši sklopovi uglavnom usredotočeni na bipolarne spojne tranzistore (BJT), jednako su dobro mogli biti konstruirani korištenjem FET tehnologije.
Osnovni sklop prekidača je jednostavna aplikacija tranzistora, što je jedan od najlakših dizajna.
Izrada NOT vrata s jednim tranzistorom
Shema tranzistorske sklopke prikazana je na slici 1. Ovisno o tome kako je implementirana u određenoj primjeni, sklopka se može smatrati ili održavanom nisko ili normalno otvorenom.
Jednostavna logička vrata pretvarača NOT vrata mogu se stvoriti jednostavnim sklopnim sklopom prikazanim na slici 1 (gdje je točka A ulaz). Vrata NOT rade na takav način da ako se tranzistorskoj bazi (točka A; Q1) ne omogući DC prednapon, ona će ostati isključena, što rezultira visokom ili logičkom 1 (jednakom V+ razini) na izlazu ( točka B).
Međutim, tranzistor se aktivira kada se odgovarajuća prednapon pruži bazi Q1, gurajući izlaz kruga na nisku razinu ili na logičku 0 (gotovo jednako nultom potencijalu). Tranzistor, označen Q1, je bipolarni tranzistor opće namjene, ili BC547, koji se obično koristi u aplikacijama s prekidačima i pojačalima male snage.
Svaki tranzistor koji mu je ekvivalentan (kao što je 2N2222, 2N4401, itd.) bi radio. Vrijednosti R1 i R2 odabrane su kako bi se postigao kompromis između male potrošnje struje i kompatibilnosti. U svim izvedbama, svi otpornici su jedinice od 1/4 vata, 5%.
Napon napajanja je podesiv između 1,4 i 6 volti DC. Imajte na umu da krug može raditi kao međuspremnik kada se otpornik opterećenja i izlazna veza pomaknu na emiter tranzistora.
Izrada međuspremnika pomoću jednog BC547 BJT-a
Praćenje napona ili međuspremnik pojačalo je tip konfiguracije logičkog preklapanja identične onoj prikazanoj na slici 2. Treba primijetiti da su otpornik opterećenja i izlazni terminal pomaknuti s kolektora tranzistora na njegov emiter u ovom krugu, što je glavna razlika između ovog dizajna i onog prikazanog na slici 1.
Rad tranzistora također se može 'okrenuti' pomicanjem otpornika opterećenja i izlaznog terminala na drugi kraj BJT-a.
Drugim riječima, kada nema pristranosti na ulazu kruga, izlaz kruga ostaje nizak; međutim, kada se prednapon odgovarajućeg napona dovodi na ulaz kruga, izlaz kruga postaje visok. (To je upravo suprotno od onoga što se događa u ranijem krugu.)
Projektiranje logičkih vrata s dva ulaza pomoću tranzistora
I vrata koja koriste dva tranzistora
Slika 3 ilustrira kako se osnovna I vrata s dva ulaza mogu kreirati korištenjem para međuspremnika, zajedno s tablicom istine za ta vrata. Tablica istine ilustrira kakvi bi bili izlazni rezultati za svaki poseban skup ulaza. Točke A i B koriste se kao ulazi kruga, a točka C služi kao izlaz kruga.
Važno je primijetiti iz tablice istinitosti da samo jedan skup ulaznih parametara rezultira izlaznim signalom s logičkim visokim, dok sve ostale kombinacije ulaza rezultiraju izlaznim signalom s logičkim niskim stupnjem. Izlaz I vrata na slici 3 ostaje malo ispod V+ nakon što postane visok.
To se događa zbog pada napona između dva tranzistora (Q1 i Q2).
NAND vrata koja koriste dva tranzistora
Druga varijanta sklopa na slici 3 i pridružena tablica istine prikazani su na slici 4. Sklop se pretvara u NAND vrata pomicanjem izlaza (točka C) i izlaznog otpornika na kolektor gornjeg tranzistora (Q1).
Budući da i Q1 i Q2 moraju biti uključeni kako bi povukli nisku stranu R1 na masu, gubitak napona na izlazu C je beznačajan.
Ako tranzistor AND ili tranzistor NAND vrata trebaju više od dva ulaza, više tranzistora bi se moglo spojiti u prikazane dizajne kako bi se dobila tri, četiri itd. ulazna AND ili NAND vrata.
Međutim, kako bi se kompenzirali gubici napona pojedinačnih tranzistora, V+ bi se trebao odgovarajuće povećati.
ILI vrata koja koriste dva tranzistora
Drugi oblik logičkog sklopa s dva ulaza može se vidjeti na slici 5, zajedno s tablicom istinitosti sklopa ILI vrata.
Izlaz kruga je visok kada je ulaz A ili ulaz B gurnut visoko, međutim zbog kaskadnih tranzistora, pad napona je preko 0,5 volta. Opet, prikazane brojke pokazuju da postoji dovoljno napona i struje za rad sljedećih vrata tranzistora.
NOR vrata koja koriste dva tranzistora
Slika 6 prikazuje sljedeća vrata na našem popisu, NOR vrata s dva ulaza, zajedno s njihovom tablicom istinitosti. Slično kao I i NAND vrata reagiraju jedna na druga, ILI i NILI sklopovi rade isto.
Svaki od prikazanih vrata sposoban je opskrbiti dovoljno pogona za aktiviranje barem jednog ili više susjednih vrata tranzistora.
Primjene logičkih vrata tranzistora
Što radite s gore objašnjenim digitalnim sklopovima koje sada posjedujete? Sve što možete postići s konvencionalnim TTL ili CMOS vratima, ali bez brige o ograničenjima napona napajanja. Evo nekoliko primjena tranzistorskih logičkih vrata na djelu.
Krug demultipleksera
Demultiplekser 1 od 2 s tri NOT vrata i dva NAND kruga prikazan je na slici 7. Odgovarajući izlaz bira se pomoću jednobitnog 'adresnog ulaza', koji može biti OUTPUT1 ili OUTPUT2, dok se primjenjuju informacije o vožnji u krug pomoću DATA ulaza.
Krug najučinkovitije radi kada se brzina podataka održava ispod 10 kHz. Funkcionalnost sklopa je jednostavna. DATA ulaz se snabdijeva potrebnim signalom, koji uključuje Q3 i invertira dolazne podatke na kolektoru Q3.
Izlaz Q1 je visoko ako je ulaz ADDRESS nizak (uzemljen ili nema signala). Na kolektoru Q1, visoki izlaz se dijeli na dva puta. U prvoj stazi, izlaz Q1 dovodi se do baze Q5 (jedan od krakova NAND vrata s dva ulaza), uključuje ga i stoga 'aktivira' NAND vrata sastavljena od Q4 i Q5.
U drugom putu, visoki izlaz Q1 se istovremeno dovodi na ulaz drugog NOT vrata (Q2). Nakon što prođe dvostruku inverziju, izlaz Q2 postaje nizak. Ovaj niski napon napaja bazu Q7 (jedan terminal drugog NAND vrata, sastavljen od Q6 i Q7), čime se isključuje NAND krug.
Sve informacije ili signali primijenjeni na DATA ulaz dolaze na OUTPUT1 pod ovim okolnostima. Alternativno, situacija je obrnuta ako je visok signal dodan ADDRESS ulazu. Što znači da će se sve informacije dostavljene krugu prikazati na OUTPUT2 budući da su NAND vrata Q4/Q5 onemogućena, a NAND vrata Q6/Q7 omogućena.
Oscilatorski krug (generator takta)
Naša sljedeća primjena tranzistorskih logičkih vrata, ilustrirana na slici 8, osnovni je generator takta (također poznat kao oscilator) napravljen od tri obična NOT pretvarača vrata (od kojih je jedan pristran pomoću povratnog otpornika, R2, koji ga stavlja u analogna regija).
Kako bi se izjednačio izlaz, uključena su treća NOT vrata (Q3) koja isporučuju komplement izlazu oscilatora. Vrijednost C1 može se povećati ili smanjiti kako bi se promijenila radna frekvencija kruga. Izlazni valni oblik ima frekvenciju od oko 7 kHz s V+ na 1,5 V DC, koristeći naznačene vrijednosti komponente.
RS Latch Krug
Slika 9 prikazuje naš konačni aplikacijski krug, RS zasun sastavljen od dva NOR vrata. Kako bi se osigurao zdrav izlazni pogon na Q i Q izlazima, otpornici R3 i R4 podešeni su na 1 k ohma.
Tablica istinitosti RS zasuna prikazana je uz shematski dizajn. Ovo je samo nekoliko ilustracija nekoliko pouzdanih, niskonaponskih, digitalnih sklopova s logičkim vratima koji se mogu stvoriti pomoću pojedinačnih tranzistora.
Sklopovi koji koriste tranzistoriziranu logiku trebaju previše dijelova
Mnogi se problemi mogu riješiti korištenjem svih ovih niskonaponskih tranzistorskih logičkih sklopova. Međutim, korištenje previše ovih tranzistoriziranih vrata moglo bi dovesti do novih problema.
Broj tranzistora i otpornika mogao bi biti prilično velik ako aplikacija koju gradite sadrži veliku količinu vrata koja zauzimaju dragocjeni prostor.
Korištenje tranzistorskih nizova (mnogi tranzistori zatvoreni u plastiku) i SIP (Single Inline Package) otpornika umjesto pojedinačnih jedinica jedan je od načina da se riješi ovaj problem.
Gornji pristup može uštedjeti tonu prostora na tiskanoj ploči dok održava performanse jednake onima njihovih ekvivalenata u punoj veličini. Tranzistorski nizovi se nude u pakiranju za površinsku montažu, 14-pinskim otvorom i četverostrukim pakiranjem.
Za većinu sklopova tipovi tranzistora za miješanje mogu biti sasvim prihvatljivi.
Unatoč tome, preporučljivo je da eksperimentator radi s jednom vrstom tranzistora za izgradnju tranzistorskih logičkih sklopova (što znači ako izradite dio vrata pomoću BC547, zatim pokušajte koristiti isti BJT za izradu ostalih preostalih vrata).
Obrazloženje je da različite varijante tranzistora mogu imati donekle različita svojstva i stoga se mogu ponašati drugačije.
Na primjer, za neki tranzistor granica uključivanja baze može biti veća ili manja od druge, ili bi mogao imati ukupni strujni dobitak koji je malo veći ili manji.
S druge strane, trošak kupnje skupne kutije s jednom vrstom tranzistora također bi mogao biti niži. Učinkovitost vaših sklopova poboljšat će se ako su vaša logička vrata izgrađena korištenjem odgovarajućih tranzistora, a projekt u cijelosti će u konačnici biti isplativiji.
