В этом посте мы узнаем, как построить логические элементы НЕ, И, И-НЕ, ИЛИ и ИЛИ-НЕ с использованием дискретных транзисторов. Основное преимущество использования транзисторных логических элементов заключается в том, что они могут работать даже при напряжении до 1,5 В.
В некоторых электронных приложениях доступное напряжение может быть недостаточным для питания TTL или даже CMOS IC. Особенно это касается гаджетов, которые работают от батареек. Без сомнения, у вас всегда есть опция 3-вольтовой логической ИС. Тем не менее, они не всегда легко доступны для энтузиастов или экспериментаторов, и они не работают при напряжениях ниже определенных спецификаций (обычно ниже 2,5 вольт постоянного тока).
Кроме того, в приложении с батарейным питанием может быть место только для одной 1,5-вольтовой батареи. Ну, тогда что ты собираешься делать? Обычно логические вентили IC могут быть заменены транзисторными логическими вентилями. Для каждого конкретного логического элемента обычно требуется всего пара транзисторов, а для типичной логики инвертора вентиля НЕ требуется всего один транзистор.
Полевые транзисторы против биполярного транзистора
Полевые транзисторы (FET) против биполярные транзисторы : какой вариант лучше для низковольтных логических схем? Одна замечательная особенность ФАКТЫ заключается в том, что их сопротивление во включенном состоянии невероятно низкое. Кроме того, им нужен очень низкий ток включения затвора.
Однако у них есть одно ограничение в приложениях с чрезвычайно низким напряжением. Как правило, предел напряжения затвора составляет один вольт или около того. Кроме того, доступное напряжение может упасть ниже оптимального рабочего диапазона полевого транзистора, если к затвору подключен токоограничивающий или подтягивающий резистор.
И наоборот, биполярные переключающие транзисторы имеют преимущество в чрезвычайно низковольтных приложениях с одной батареей, поскольку для включения им требуется всего 0,6–0,7 вольт.
Кроме того, большинство обычных полевых транзисторов, которые обычно продаются в пузырчатых упаковках в ближайшем магазине электроники, часто дороже, чем биполярные транзисторы. Кроме того, большой пакет биполярных транзисторов обычно можно было купить по цене пары полевых транзисторов.
Обращение с полевыми транзисторами требует значительно большей осторожности, чем обращение с биполярными транзисторами. Электростатические и общие экспериментальные ошибки делают полевые транзисторы особенно подверженными повреждениям. Сгоревшие компоненты могут испортить приятный творческий вечер экспериментов или инноваций, не говоря уже об эмоциональной боли отладки.
Основы переключения транзисторов
В примерах логических схем, описанных в этой статье, используются биполярные NPN-транзисторы, поскольку они доступны по цене и не требуют специального обращения. Во избежание повреждения устройства или частей, поддерживающих его, перед подключением цепи необходимо принять соответствующие меры безопасности.
Несмотря на то, что наши схемы преимущественно основаны на транзисторах с биполярным переходом (BJT), они с таким же успехом могли бы быть построены с использованием технологии FET.
Базовая схема переключателя представляет собой простое приложение на транзисторе, которое является одной из самых простых конструкций.
Создание вентиля НЕ с одним транзистором
Схема транзисторного переключателя показана на рисунке 1. В зависимости от того, как он реализован в конкретном приложении, переключатель может рассматриваться либо как поддерживающий низкий уровень, либо как нормально разомкнутый.
Простой логический вентиль инвертора затвора НЕ может быть создан с помощью простой схемы переключения, показанной на рис. 1 (где точка A является входом). Вентиль НЕ работает таким образом, что если на базу транзистора (точка A; Q1) не подается смещение постоянного тока, он останется закрытым, что приведет к высокому уровню или логической 1 (равному уровню V+) на выходе ( пункт Б).
Однако транзистор активируется, когда на базу Q1 подается надлежащее смещение, переводя выход схемы в низкий уровень или в логический 0 (почти равный нулевому потенциалу). Транзистор, обозначенный Q1, представляет собой биполярный транзистор общего назначения, или BC547, который обычно используется в маломощных коммутаторах и усилителях.
Подойдет любой эквивалентный ему транзистор (например, 2N2222, 2N4401 и т. д.). Значения резисторов R1 и R2 были выбраны для достижения компромисса между низким потреблением тока и совместимостью. Во всех конструкциях резисторы все 1/4 Вт, 5% единиц.
Напряжение питания регулируется в диапазоне от 1,4 до 6 вольт постоянного тока. Обратите внимание, что схема может работать как буфер, когда нагрузочный резистор и выходное соединение смещены к эмиттеру транзистора.
Изготовление буферного затвора с использованием одного BJT BC547
Повторитель напряжения, или буферный усилитель, представляет собой тип конфигурации логического переключения, идентичный показанному на рис. 2. Следует отметить, что нагрузочный резистор и выходная клемма в этой схеме смещены с коллектора транзистора на его эмиттер, т.е. основное различие между этой конструкцией и той, что показана на рис. 1.
Функционирование транзистора также можно «перевернуть», переместив нагрузочный резистор и выходную клемму на другой конец биполярного транзистора.
Другими словами, когда на вход схемы не подается смещение, выход схемы остается низким; однако, когда на вход схемы подается смещение соответствующего напряжения, выход схемы становится высоким. (Это прямо противоположно тому, что происходит в предыдущей схеме.)
Проектирование логических вентилей с двумя входами на транзисторах
AND Gate с использованием двух транзисторов
На рис. 3 показано, как можно создать базовый вентиль И с двумя входами, используя пару буферов вместе с таблицей истинности для этого вентиля. Таблица истинности показывает, какими будут выходные результаты для каждого отдельного набора входных данных. Точки A и B используются как входы схемы, а точка C служит выходом схемы.
Из таблицы истинности важно отметить, что только один набор входных параметров приводит к высокому логическому выходному сигналу, тогда как все другие входные комбинации приводят к низкому логическому выходному сигналу. Выход логического элемента И на рисунке 3 остается немного ниже V+ после того, как он становится высоким.
Это происходит из-за падения напряжения между двумя транзисторами (Q1 и Q2).
NAND Gate с использованием двух транзисторов
Другой вариант схемы на рисунке 3 и связанная с ним таблица истинности показаны на рисунке 4. Схема превращается в вентиль НЕ-И путем смещения выхода (точка C) и выходного резистора к коллектору верхнего транзистора (Q1).
Поскольку и Q1, и Q2 должны быть включены, чтобы соединить низкий вывод резистора R1 с землей, потери напряжения на выходе C незначительны.
Если для транзисторных логических элементов И или транзисторных вентилей И-НЕ требуется более двух входов, в показанных конструкциях вполне можно подключить больше транзисторов, чтобы обеспечить три, четыре и т. д. входных логических элементов И или И-НЕ.
Однако, чтобы компенсировать потери напряжения на отдельных транзисторах, необходимо соответственно увеличить V+.
ИЛИ Gate с использованием двух транзисторов
Другую форму логической схемы с двумя входами можно увидеть на рисунке 5 вместе с таблицей истинности схемы логического элемента ИЛИ.
Выход схемы имеет высокий уровень, когда на вход A или вход B подается высокий уровень, однако из-за каскадных транзисторов падение напряжения превышает 0,5 вольт. Опять же, отображаемые цифры показывают, что напряжения и тока достаточно для работы следующего затвора транзистора.
NOR Gate с использованием двух транзисторов
На рис. 6 показан следующий элемент в нашем списке, вентиль ИЛИ-НЕ с двумя входами, вместе с его таблицей истинности. Подобно тому, как вентили И и НЕ-И реагируют друг на друга, схемы ИЛИ и ИЛИ-НЕ делают то же самое.
Каждый из показанных затворов способен обеспечить достаточное количество энергии для активации по крайней мере одного или нескольких соседних транзисторных затворов.
Применение транзисторных логических вентилей
Что вы делаете с объясненными выше цифровыми схемами, которыми вы теперь владеете? Все, что вы могли бы сделать с обычными вентилями TTL или CMOS, но не беспокоясь об ограничениях напряжения питания. Вот несколько применений транзисторно-логических вентилей в действии.
Схема демультиплексора
Демультиплексор 1-из-2 с тремя вентилями НЕ и двумя схемами НЕ-И показан на рисунке 7. Соответствующий выход выбирается с использованием однобитового «адресного входа», который может быть либо ВЫХОД1, либо ВЫХОД2, в то время как управляющая информация применяется. к схеме с помощью входа DATA.
Схема работает наиболее эффективно, когда скорость передачи данных поддерживается ниже 10 кГц. Функциональность схемы проста. На вход DATA подается требуемый сигнал, который включает Q3 и инвертирует входящие данные на коллекторе Q3.
На выходе Q1 устанавливается высокий уровень, если на входе ADDRESS низкий уровень (заземлен или сигнал отсутствует). На коллекторе Q1 высокий выход делится на два пути. В первом пути выход Q1 подается на базу Q5 (одна из двух входных ветвей логического элемента И-НЕ), включая его и, следовательно, «активируя» логический элемент И-НЕ, состоящий из Q4 и Q5.
Во втором пути высокий уровень с выхода Q1 одновременно подается на вход другого вентиля НЕ (Q2). После двойной инверсии выход Q2 становится низким. Этот низкий уровень подается на базу Q7 (одна клемма второго логического элемента И-НЕ, состоящего из Q6 и Q7), тем самым отключая схему И-НЕ.
Любая информация или сигнал, подаваемые на вход ДАННЫЕ, при этих обстоятельствах поступают на ВЫХОД1. В качестве альтернативы, ситуация обратная, если на вход ADDRESS подается сигнал высокого уровня. Это означает, что любая информация, предоставленная схеме, будет отображаться на ВЫХОДЕ2, поскольку логический элемент И-НЕ Q4/Q5 отключен, а логический элемент И-НЕ Q6/Q7 включен.
Цепь генератора (тактовый генератор)
Наше следующее применение транзисторного логического элемента, показанное на рис. 8, представляет собой базовый тактовый генератор (также известный как осциллятор), состоящий из трех обычных инверторов затвора НЕ (один из которых смещен с помощью резистора обратной связи R2, который помещает его в аналог региона).
Для выравнивания выходного сигнала включен третий логический элемент НЕ (Q3), который обеспечивает дополнение к выходному сигналу генератора. Значение C1 может быть увеличено или уменьшено для изменения рабочей частоты схемы. Выходной сигнал имеет частоту около 7 кГц с напряжением V+ 1,5 В постоянного тока при использовании указанных значений компонентов.
Цепь защелки RS
На рис. 9 показана наша последняя прикладная схема — защелка RS, состоящая из двух вентилей ИЛИ-НЕ. Чтобы обеспечить исправную выходную мощность на выходах Q и Q, резисторы R3 и R4 настроены на 1 кОм.
Рядом со схемой показана таблица истинности защелки RS. Это всего лишь несколько иллюстраций нескольких надежных низковольтных цифровых схем с логическими вентилями, которые могут быть созданы с использованием отдельных транзисторов.
Схемы, использующие транзисторную логику, требуют слишком много деталей
Многие проблемы можно решить, используя все эти логические схемы на низковольтных транзисторах. Однако использование слишком большого количества этих транзисторных затворов может привести к новым проблемам.
Количество транзисторов и резисторов может стать довольно большим, если приложение, которое вы создаете, содержит большое количество вентилей, занимающих ценное пространство.
Использование массивов транзисторов (множество транзисторов, заключенных в пластик) и резисторов SIP (Single Inline Package) вместо отдельных блоков является одним из способов решения этой проблемы.
Описанный выше подход может сэкономить тонну места на печатной плате, сохраняя при этом производительность, равную производительности их полноразмерных эквивалентов. Транзисторные массивы предлагаются в корпусах для поверхностного монтажа, 14-выводных сквозных отверстий и четырехъядерных упаковках.
Для большинства схем смешение типов транзисторов может быть вполне приемлемым.
Тем не менее, желательно, чтобы экспериментатор работал с одним типом транзистора для построения транзисторных логических схем (имеется в виду, что если вы создаете секцию затвора с помощью BC547, то попробуйте использовать тот же биполярный транзистор для изготовления других оставшихся затворов).
Причина в том, что различные варианты транзисторов могут иметь несколько разные свойства и, следовательно, вести себя по-разному.
Например, для некоторого транзистора базовый предел включения может быть больше или меньше, чем у другого, или общий коэффициент усиления по току может быть немного выше или ниже.
С другой стороны, стоимость покупки большой коробки одного типа транзистора также может быть ниже. Производительность ваших схем повысится, если ваши логические элементы будут построены с использованием соответствующих транзисторов, и в конечном итоге проект в целом будет более полезным.
