Σε αυτήν την ανάρτηση θα μάθουμε πώς να κατασκευάζουμε λογικές πύλες NOT, AND, NAND, OR και NOR χρησιμοποιώντας διακριτά τρανζίστορ. Το κύριο πλεονέκτημα της χρήσης λογικών πυλών τρανζίστορ είναι ότι μπορούν να λειτουργήσουν ακόμη και με τάσεις τόσο χαμηλές όσο 1,5 V.
Σε ορισμένες ηλεκτρονικές εφαρμογές η διαθέσιμη τάση μπορεί να είναι ανεπαρκής για την τροφοδοσία TTL ή ακόμα και CMOS IC. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για gadget που λειτουργούν με μπαταρίες. Χωρίς αμφιβολία, έχετε πάντα την επιλογή λογικού IC 3 volt. Ωστόσο, αυτά δεν είναι πάντα εύκολα προσβάσιμα από τον ενθουσιώδη ή τον πειραματιστή και δεν λειτουργούν κάτω από τις καθορισμένες προδιαγραφές τάσης (γενικά κάτω από 2,5 volt DC).
Επιπλέον, μπορεί να υπάρχει θέση μόνο για μια μπαταρία 1,5 volt σε μια εφαρμογή που τροφοδοτείται από μπαταρία. Λοιπόν, τι θα κάνετε; Συνήθως Λογικές πύλες IC θα μπορούσαν να αντικατασταθούν από τρανζίστορ λογικές πύλες. Για κάθε συγκεκριμένη λογική πύλη, απαιτούνται γενικά μόνο δύο τρανζίστορ και για μια τυπική λογική ΟΧΙ πύλης μετατροπέα, απαιτείται μόνο ένα τρανζίστορ.
FET έναντι διπολικού τρανζίστορ
Τρανζίστορ φαινομένου πεδίου (FET) vs διπολικά τρανζίστορ : ποια είναι η καλύτερη επιλογή για λογικά κυκλώματα χαμηλής τάσης; Ένα σπουδαίο χαρακτηριστικό του ΓΕΓΟΝΟΤΑ είναι ότι η αντίστασή τους 'on' είναι απίστευτα χαμηλή. Επιπλέον, χρειάζονται πολύ χαμηλό ρεύμα ενεργοποίησης πύλης.
Ωστόσο, έχουν έναν περιορισμό σε εφαρμογές εξαιρετικά χαμηλής τάσης. Συνήθως, το όριο τάσης πύλης είναι ένα βολτ περίπου. Επιπλέον, η διαθέσιμη τάση μπορεί να μειωθεί κάτω από το βέλτιστο εύρος εργασίας του FET, εάν μια αντίσταση περιορισμού ρεύματος ή συρόμενης αντίστασης είναι συνδεδεμένη στην πύλη.
Αντίθετα, τα διπολικά τρανζίστορ μεταγωγής έχουν ένα πλεονέκτημα σε εφαρμογές με μία μπαταρία εξαιρετικά χαμηλής τάσης, καθώς χρειάζονται μόνο 0,6 έως 0,7 βολτ για να ενεργοποιηθούν.
Επιπλέον, η πλειονότητα των κοινών FET, τα οποία συνήθως πωλούνται σε πακέτα φυσαλίδων στο πλησιέστερο κατάστημα ηλεκτρονικών ειδών είναι συχνά πιο ακριβά από τα διπολικά τρανζίστορ. Επίσης, ένα μεγάλο πακέτο διπολικών τρανζίστορ θα μπορούσε γενικά να αγοραστεί στην τιμή ενός ζεύγους FET.
Ο χειρισμός FET απαιτεί πολύ περισσότερη προσοχή από τον χειρισμό διπολικών τρανζίστορ. Η ηλεκτροστατική και η γενική πειραματική κακή χρήση καθιστούν τα FET ιδιαίτερα επιρρεπή σε ζημιές. Τα καμένα εξαρτήματα μπορεί να καταστρέψουν μια απολαυστική, δημιουργική βραδιά πειραματισμού ή καινοτομίας, για να μην ξεχνάμε τον συναισθηματικό πόνο της αποσφαλμάτωσης.
Βασικά Τρανζίστορ μεταγωγής
Τα παραδείγματα λογικών κυκλωμάτων που εξηγούνται σε αυτό το άρθρο χρησιμοποιούν διπολικά τρανζίστορ NPN, καθώς είναι οικονομικά προσιτά και δεν χρειάζονται ειδικό χειρισμό. Για να αποφύγετε την καταστροφή της συσκευής ή των εξαρτημάτων που την υποστηρίζουν, θα πρέπει να ληφθούν κατάλληλα μέτρα ασφαλείας πριν συνδέσετε το κύκλωμά σας.
Παρόλο που τα κυκλώματά μας επικεντρώνονται κυρίως σε διπολικά τρανζίστορ διασταύρωσης (BJT), θα μπορούσαν εξίσου καλά να είχαν κατασκευαστεί χρησιμοποιώντας τεχνολογία FET.
Το βασικό κύκλωμα διακόπτη είναι μια απλή εφαρμογή τρανζίστορ, η οποία είναι ένα από τα πιο εύκολα σχέδια.
Κάνοντας μια πύλη NOT με ένα μόνο τρανζίστορ
Ένα σχηματικό διάγραμμα του διακόπτη τρανζίστορ φαίνεται στο Σχήμα 1. Ανάλογα με τον τρόπο εφαρμογής του σε μια συγκεκριμένη εφαρμογή, ο διακόπτης μπορεί να θεωρηθεί είτε ως χαμηλός είτε ως κανονικά ανοιχτός.
Μια απλή λογική πύλη αντιστροφέα NOT gate μπορεί να δημιουργηθεί από το άμεσο κύκλωμα μεταγωγής που φαίνεται στο Σχ. 1 (όπου το σημείο Α είναι η είσοδος). Μια πύλη NOT λειτουργεί με τέτοιο τρόπο ώστε εάν δεν παρέχεται προκατάληψη DC στη βάση του τρανζίστορ (σημείο A, Q1), θα παραμείνει κλειστή, με αποτέλεσμα υψηλό ή λογικό επίπεδο 1 (ίσο με επίπεδο V+) στην έξοδο ( σημείο Β).
Ωστόσο, το τρανζίστορ ενεργοποιείται όταν παρέχεται η κατάλληλη πόλωση στη βάση του Q1, ωθώντας την έξοδο του κυκλώματος χαμηλά ή στο λογικό 0 (σχεδόν ίσο με μηδενικό δυναμικό). Το τρανζίστορ, που ονομάζεται Q1, είναι ένα διπολικό τρανζίστορ γενικής χρήσης ή ένα BC547, το οποίο συνήθως χρησιμοποιείται σε εφαρμογές μεταγωγής και ενισχυτή χαμηλής ισχύος.
Οποιοδήποτε τρανζίστορ είναι ισοδύναμο με αυτό (όπως το 2N2222, 2N4401, κ.λπ.) θα λειτουργούσε. Οι τιμές των R1 και R2 επιλέχθηκαν για να επιτευχθεί συμβιβασμός μεταξύ χαμηλής αποστράγγισης ρεύματος και συμβατότητας. Σε όλα τα σχέδια, οι αντιστάσεις είναι όλες 1/4 watt, μονάδες 5%.
Η τάση τροφοδοσίας είναι ρυθμιζόμενη μεταξύ 1,4 και 6 volts DC. Σημειώστε ότι το κύκλωμα μπορεί να λειτουργήσει σαν buffer όταν η αντίσταση φορτίου και η σύνδεση εξόδου μετατοπίζονται στον πομπό του τρανζίστορ.
Δημιουργία μιας πύλης προσωρινής αποθήκευσης χρησιμοποιώντας ένα ενιαίο BC547 BJT
Ένας ακόλουθος τάσης, ή ένας ενισχυτής buffer, είναι ένας τύπος διαμόρφωσης λογικής μεταγωγής πανομοιότυπος με αυτόν που φαίνεται στο σχήμα 2. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η αντίσταση φορτίου και ο ακροδέκτης εξόδου έχουν μετατοπιστεί από τον συλλέκτη του τρανζίστορ στον εκπομπό του σε αυτό το κύκλωμα, το οποίο είναι η κύρια διαφορά μεταξύ αυτού του σχεδίου και αυτού που φαίνεται στο Σχ. 1.
Η λειτουργία του τρανζίστορ μπορεί επίσης να «ανατραπεί» μετακινώντας την αντίσταση φορτίου και τον ακροδέκτη εξόδου στο άλλο άκρο του BJT.
Με άλλα λόγια, όταν δεν παρέχεται προκατάληψη στην είσοδο του κυκλώματος, η έξοδος του κυκλώματος παραμένει χαμηλή. Ωστόσο, όταν παρέχεται μια πόλωση επαρκούς τάσης στην είσοδο του κυκλώματος, η έξοδος του κυκλώματος γίνεται υψηλή. (Αυτό είναι ακριβώς το αντίθετο από αυτό που συμβαίνει στο προηγούμενο κύκλωμα.)
Σχεδιασμός λογικών πυλών δύο εισόδων με χρήση τρανζίστορ
ΚΑΙ Πύλη χρησιμοποιώντας δύο τρανζίστορ
Το σχήμα 3 δείχνει πώς μια βασική πύλη AND δύο εισόδων μπορεί να δημιουργηθεί χρησιμοποιώντας ένα ζεύγος buffer, μαζί με τον πίνακα αλήθειας για αυτήν την πύλη. Ο πίνακας αλήθειας δείχνει ποια θα ήταν τα αποτελέσματα εξόδου για κάθε ξεχωριστό σύνολο εισόδων. Τα σημεία Α και Β χρησιμοποιούνται ως είσοδοι του κυκλώματος και το σημείο Γ χρησιμεύει ως έξοδος του κυκλώματος.
Είναι σημαντικό να σημειωθεί από τον πίνακα αλήθειας ότι μόνο ένα σύνολο παραμέτρων εισόδου έχει ως αποτέλεσμα ένα σήμα εξόδου λογικά υψηλό, ενώ όλοι οι άλλοι συνδυασμοί εισόδου έχουν ως αποτέλεσμα μια έξοδο λογικής χαμηλής. Η έξοδος της πύλης AND στο Σχήμα 3 παραμένει ελαφρώς κάτω από το V+ μόλις φτάσει ψηλά.
Αυτό συμβαίνει λόγω της πτώσης τάσης μεταξύ των δύο τρανζίστορ (Q1 και Q2).
Πύλη NAND με χρήση δύο τρανζίστορ
Μια άλλη παραλλαγή του κυκλώματος στο Σχήμα 3 και ο σχετικός πίνακας αλήθειας φαίνονται στο Σχήμα 4. Το κύκλωμα μετατρέπεται σε πύλη NAND μετατοπίζοντας την έξοδο (σημείο C) και την αντίσταση εξόδου στον άνω συλλέκτη του τρανζίστορ (Q1).
Δεδομένου ότι τόσο το Q1 όσο και το Q2 πρέπει να ενεργοποιηθούν για να τραβήξει τη χαμηλή πλευρά του R1 στη γείωση, η απώλεια τάσης στην έξοδο C είναι ασήμαντη.
Εάν οι πύλες τρανζίστορ AND ή τρανζίστορ NAND χρειάζονται περισσότερες από δύο εισόδους, θα μπορούσαν κάλλιστα να συνδεθούν περισσότερα τρανζίστορ στα εικονιζόμενα σχέδια για να παρέχουν τρεις, τέσσερις κ.λπ., πύλες εισόδου AND ή NAND.
Ωστόσο, για να αντισταθμιστούν οι απώλειες τάσης των μεμονωμένων τρανζίστορ, το V+ θα πρέπει να αυξηθεί αντίστοιχα.
Ή Πύλη με δύο τρανζίστορ
Μια άλλη μορφή λογικού κυκλώματος με δύο εισόδους φαίνεται στο Σχήμα 5, μαζί με τον πίνακα αλήθειας του κυκλώματος OR-gate.
Η έξοδος του κυκλώματος είναι υψηλή όταν είτε η είσοδος Α είτε η είσοδος Β πιέζεται ψηλά, ωστόσο λόγω των διαδοχικών τρανζίστορ, η πτώση τάσης είναι πάνω από 0,5 βολτ. Και πάλι, τα σχήματα που εμφανίζονται υποδεικνύουν ότι υπάρχει αρκετή τάση και ρεύμα για να λειτουργήσει η επόμενη πύλη τρανζίστορ.
NOR Gate με δύο τρανζίστορ
Το σχήμα 6 απεικονίζει την επόμενη πύλη στη λίστα μας, μια πύλη NOR δύο εισόδων, μαζί με τον πίνακα αληθείας της. Παρόμοια με το πώς οι πύλες AND και NAND ανταποκρίνονται μεταξύ τους, τα κυκλώματα OR και NOR κάνουν το ίδιο.
Κάθε μία από τις πύλες που εμφανίζονται είναι ικανή να παρέχει αρκετή κίνηση για να ενεργοποιήσει τουλάχιστον μία ή περισσότερες παρακείμενες πύλες τρανζίστορ.
Εφαρμογές Transistor Logic Gate
Τι κάνετε με τα παραπάνω επεξηγημένα ψηφιακά κυκλώματα που κατέχετε τώρα; Οτιδήποτε θα μπορούσατε να επιτύχετε με τις συμβατικές πύλες TTL ή CMOS, αλλά χωρίς να ανησυχείτε για τους περιορισμούς της τάσης τροφοδοσίας. Εδώ είναι μερικές εφαρμογές των λογικών πυλών τρανζίστορ σε δράση.
Κύκλωμα αποπολυπλέκτη
Ένας αποπολυπλέκτης 1-από-2 με τρεις πύλες NOT και δύο κυκλώματα NAND φαίνεται στο Σχήμα 7. Η κατάλληλη έξοδος επιλέγεται χρησιμοποιώντας την είσοδο διεύθυνσης ενός bit, η οποία μπορεί να είναι είτε OUTPUT1 είτε OUTPUT2, ενώ εφαρμόζονται οι πληροφορίες οδήγησης στο κύκλωμα χρησιμοποιώντας την είσοδο DATA.
Το κύκλωμα λειτουργεί πιο αποτελεσματικά όταν ο ρυθμός δεδομένων διατηρείται κάτω από 10 kHz. Η λειτουργικότητα του κυκλώματος είναι απλή. Η είσοδος DATA παρέχεται με το απαιτούμενο σήμα, το οποίο ενεργοποιεί το Q3 και αναστρέφει τα εισερχόμενα δεδομένα στον συλλέκτη του Q3.
Η έξοδος του Q1 οδηγείται ψηλά εάν η είσοδος ADDRESS είναι χαμηλή (γείωση ή δεν παρέχεται σήμα). Στον συλλέκτη του Q1, η υψηλή απόδοση χωρίζεται σε δύο διαδρομές. Στην πρώτη διαδρομή, η έξοδος του Q1 παρέχεται στη βάση του Q5 (ένα από τα πόδια της πύλης NAND δύο εισόδων), ενεργοποιώντας το και επομένως «ενεργοποιώντας» την πύλη NAND που αποτελείται από Q4 και Q5.
Στη δεύτερη διαδρομή, η υψηλή έξοδος του Q1 παρέχεται ταυτόχρονα στην είσοδο μιας άλλης πύλης NOT (Q2). Αφού υποβληθεί σε διπλή αναστροφή, η έξοδος του Q2 μειώνεται. Αυτό το χαμηλό τροφοδοτείται από τη βάση του Q7 (ένας ακροδέκτης μιας δεύτερης πύλης NAND, που αποτελείται από Q6 και Q7), απενεργοποιώντας έτσι το κύκλωμα NAND.
Οποιαδήποτε πληροφορία ή σήμα εφαρμόζεται στην είσοδο DATA φτάνει στο OUTPUT1 υπό αυτές τις συνθήκες. Εναλλακτικά, η κατάσταση αντιστρέφεται εάν δοθεί υψηλό σήμα στην είσοδο ADDRESS. Αυτό σημαίνει ότι οποιαδήποτε πληροφορία παρέχεται στο κύκλωμα θα εμφανίζεται στο OUTPUT2 αφού η πύλη NAND Q4/Q5 είναι απενεργοποιημένη και η πύλη NAND Q6/Q7 είναι ενεργοποιημένη.
Κύκλωμα ταλαντωτή (Γεννήτρια ρολογιού)
Η επόμενη εφαρμογή μας λογικής πύλης τρανζίστορ, που απεικονίζεται στο Σχ. 8, είναι μια βασική γεννήτρια ρολογιού (επίσης γνωστή ως ταλαντωτής) κατασκευασμένη από τρεις συνηθισμένους αντιστροφείς πύλης NOT (ο ένας εκ των οποίων είναι πολωμένος χρησιμοποιώντας μια αντίσταση ανάδρασης, R2, η οποία το τοποθετεί σε την ανάλογη περιοχή).
Για να τετραγωνιστεί η έξοδος, περιλαμβάνεται μια τρίτη πύλη NOT (Q3) που παρέχει το συμπλήρωμα στην έξοδο του ταλαντωτή. Η τιμή C1 θα μπορούσε να αυξηθεί ή να μειωθεί για να αλλάξει η συχνότητα λειτουργίας του κυκλώματος. Η κυματομορφή εξόδου έχει συχνότητα περίπου 7 kHz με V+ στα 1,5 volts DC, χρησιμοποιώντας τις υποδεικνυόμενες τιμές συνιστωσών.
Κύκλωμα μάνταλου RS
Το Σχ. 9 δείχνει το τελικό μας κύκλωμα εφαρμογής, ένα μάνδαλο RS που αποτελείται από δύο πύλες NOR. Προκειμένου να διασφαλιστεί η υγιής κίνηση εξόδου στις εξόδους Q και Q, οι αντιστάσεις R3 και R4 ρυθμίζονται σε 1k ohms.
Ο πίνακας αλήθειας του μανδάλου RS εμφανίζεται παράλληλα με τη σχηματική σχεδίαση. Αυτές είναι μόνο μερικές απεικονίσεις των πολλών αξιόπιστων, χαμηλής τάσης, ψηφιακών κυκλωμάτων λογικής πύλης που μπορούν να δημιουργηθούν χρησιμοποιώντας μεμονωμένα τρανζίστορ.
Τα κυκλώματα που χρησιμοποιούν λογική τρανζίστορ χρειάζονται πάρα πολλά εξαρτήματα
Πολλά προβλήματα μπορούν να λυθούν χρησιμοποιώντας όλα αυτά τα λογικά κυκλώματα τρανζίστορ χαμηλής τάσης. Ωστόσο, η χρήση πάρα πολλών από αυτές τις τρανζίστορ πύλες θα μπορούσε να οδηγήσει σε νέα προβλήματα.
Ο αριθμός των τρανζίστορ και των αντιστάσεων μπορεί να γίνει αρκετά τεράστιος εάν η εφαρμογή που δημιουργείτε περιέχει μεγάλη ποσότητα πυλών, καταλαμβάνοντας πολύτιμο χώρο.
Η χρήση συστοιχιών τρανζίστορ (πολλά τρανζίστορ κλεισμένα σε πλαστικό) και αντιστάσεων SIP (Single Inline Package) στη θέση μεμονωμένων μονάδων είναι ένας τρόπος επίλυσης αυτού του προβλήματος.
Η παραπάνω προσέγγιση μπορεί να εξοικονομήσει έναν τόνο χώρου σε ένα PCB διατηρώντας παράλληλα την απόδοση ίση με αυτή των ισοδύναμων πλήρους μεγέθους. Οι συστοιχίες τρανζίστορ προσφέρονται σε συσκευασία επιφανειακής τοποθέτησης, διαμπερούς οπής 14 ακίδων και συσκευασίας τετραπλής.
Για τα περισσότερα κυκλώματα, οι τύποι τρανζίστορ μίξης μπορεί να είναι αρκετά αποδεκτοί.
Ωστόσο, συνιστάται ο πειραματιστής να συνεργάζεται με έναν μόνο τύπο τρανζίστορ για την κατασκευή των τρανζίστορ λογικών κυκλωμάτων (που σημαίνει ότι εάν δημιουργήσετε ένα τμήμα μιας πύλης χρησιμοποιώντας το BC547, τότε προσπαθήστε να χρησιμοποιήσετε το ίδιο BJT για να φτιάξετε και τις άλλες υπόλοιπες πύλες).
Το σκεπτικό είναι ότι διάφορες παραλλαγές τρανζίστορ θα μπορούσαν να έχουν κάπως διαφορετικές ιδιότητες και επομένως να συμπεριφέρονται διαφορετικά.
Για παράδειγμα, για κάποιο τρανζίστορ το όριο του βασικού διακόπτη-ON μπορεί να είναι μεγαλύτερο ή μικρότερο από ένα άλλο, ή ένα θα μπορούσε να έχει συνολικό κέρδος ρεύματος που είναι λίγο υψηλότερο ή χαμηλότερο.
Από την άλλη πλευρά, το κόστος αγοράς ενός κουτιού χύμα ενός μόνο τύπου τρανζίστορ θα μπορούσε να είναι επίσης χαμηλότερο. Η απόδοση των κυκλωμάτων σας θα βελτιωθεί εάν οι λογικές πύλες σας κατασκευάζονται χρησιμοποιώντας ταιριαστά τρανζίστορ και το έργο στο σύνολό του θα είναι πιο ανταποδοτικό τελικά.
