Ebben a bejegyzésben megtanuljuk, hogyan építsünk NOT, AND, NAND, OR és NOR logikai kapukat diszkrét tranzisztorok segítségével. A tranzisztoros logikai kapuk használatának fő előnye, hogy akár 1,5 V-os feszültség mellett is működnek.
Egyes elektronikus alkalmazásokban a rendelkezésre álló feszültség nem elegendő a TTL vagy akár a CMOS IC tápellátásához. Ez különösen igaz az akkumulátorral működő kütyükre. Kétségtelen, hogy mindig rendelkezésre áll a 3 voltos logikai IC opció. Ezek azonban nem mindig könnyen hozzáférhetők a rajongó vagy a kísérletező számára, és nem működnek a meghatározott feszültségérték alatt (általában 2,5 V DC alatt).
Továbbá előfordulhat, hogy egy akkumulátoros alkalmazásban csak egyetlen 1,5 voltos akkumulátornak van helye. Nos, akkor mit fogsz csinálni? Általában IC logikai kapuk tranzisztorizált logikai kapukkal lehetne helyettesíteni. Minden egyes logikai kapuhoz általában csak néhány tranzisztor szükséges, és egy tipikus NOT gate inverter logikához csak egy tranzisztor szükséges.
FET-ek versus bipoláris tranzisztor
Field Effect Tranzisztorok (FET) vs bipoláris tranzisztorok : melyik a jobb választás kisfeszültségű logikai áramkörökhöz? Az egyik nagyszerű tulajdonsága TÉNYEK az, hogy a 'bekapcsolt' ellenállásuk hihetetlenül alacsony. Ezenkívül nagyon alacsony kapu bekapcsolási áramra van szükségük.
A rendkívül alacsony feszültségű alkalmazásokban azonban van egy korlátozásuk. Általában a kapufeszültség határértéke körülbelül egy volt. Ezenkívül a rendelkezésre álló feszültség a FET optimális működési tartománya alá csökkenhet, ha áramkorlátozó vagy lehúzó ellenállást csatlakoztatnak a kapuhoz.
Ezzel szemben a bipoláris kapcsolótranzisztorok előnyt jelentenek a rendkívül alacsony feszültségű, egyelemes alkalmazásokban, mivel csak 0,6–0,7 voltra van szükségük a bekapcsoláshoz.
Ezenkívül a legtöbb elterjedt FET, amelyet általában buborékcsomagolásban árulnak a legközelebbi elektronikai üzletben, gyakran drágábbak, mint a bipoláris tranzisztorok. Ezenkívül a bipoláris tranzisztorok tömeges csomagja általában megvásárolható egy pár FET áráért.
A FET kezelése lényegesen nagyobb körültekintést igényel, mint a bipoláris tranzisztorok kezelése. Az elektrosztatikus és általános kísérleti helytelen használat miatt a FET-ek különösen hajlamosak a károsodásra. A leégett alkatrészek tönkretehetik a kísérletezés vagy innováció élvezetes, kreatív estéjét, nem szabad megfeledkeznünk a hibakeresés érzelmi fájdalmáról sem.
A tranzisztorok kapcsolási alapjai
Az ebben a cikkben ismertetett logikai áramköri példák bipoláris NPN tranzisztorokat használnak, mivel megfizethetőek, és nem igényelnek különleges kezelést. A készülék vagy az azt alátámasztó alkatrészek károsodásának elkerülése érdekében megfelelő biztonsági intézkedéseket kell tenni az áramkör csatlakoztatása előtt.
Annak ellenére, hogy áramköreink túlnyomórészt bipoláris átmeneti tranzisztorokra (BJT) épülnek, ugyanúgy meg lehetett volna építeni FET technológiával.
Az alapkapcsoló áramkör egy egyszerű tranzisztoros alkalmazás, amely az egyik legegyszerűbb kialakítás.
NEM kapu készítése egyetlen tranzisztorral
A tranzisztoros kapcsoló vázlata az 1. ábrán látható. Attól függően, hogy egy adott alkalmazásban hogyan valósították meg, a kapcsolót vagy alacsonyan tartottnak, vagy normálisan nyitottnak tekinthetjük.
Egy egyszerű NOT gate inverter logikai kaput lehet létrehozni az 1. ábrán látható egyszerű kapcsoló áramkörrel (ahol az A pont a bemenet). A NOT kapu úgy működik, hogy ha nincs DC előfeszítés a tranzisztor bázisán (A pont; Q1), akkor lekapcsolva marad, ami magas vagy logikai 1-et (egyenlő V+ szinttel) eredményez a kimeneten ( B) pont).
A tranzisztor azonban aktiválódik, ha a megfelelő előfeszítést biztosítják a Q1 alapjához, ami az áramkör kimenetét alacsonyra vagy a logikai 0-ra (majdnem egyenlő a nulla potenciállal) nyomja. A Q1-nek nevezett tranzisztor egy általános célú bipoláris tranzisztor, vagy egy BC547, amelyet jellemzően alacsony teljesítményű kapcsoló- és erősítő alkalmazásokban használnak.
Minden vele egyenértékű tranzisztor (például 2N2222, 2N4401 stb.) működne. Az R1 és R2 értékeit úgy választották ki, hogy kompromisszumot találjanak az alacsony áramelvezetés és a kompatibilitás között. Minden kivitelben az ellenállások 1/4 wattos, 5%-os egységek.
A tápfeszültség 1,4 és 6 V DC között állítható. Vegye figyelembe, hogy az áramkör pufferként működhet, ha a terhelési ellenállást és a kimeneti csatlakozást a tranzisztor emitterére tolják.
Pufferkapu készítése Single BC547 BJT használatával
A feszültségkövető vagy puffererősítő egyfajta logikai kapcsolási konfiguráció, amely megegyezik a 2. ábrán láthatóval. Meg kell jegyezni, hogy a terhelési ellenállás és a kimeneti kapocs a tranzisztor kollektoráról az emitterére tolódott el ebben az áramkörben, ami az elsődleges különbség e kialakítás és az 1. ábrán látható között.
A tranzisztor működését úgy is meg lehet „fordítani”, hogy a terhelési ellenállást és a kimeneti csatlakozót a BJT másik végére helyezzük.
Más szóval, ha nincs előfeszítés az áramkör bemenetén, az áramkör kimenete alacsony marad; Ha azonban megfelelő feszültségű előfeszítést kap az áramkör bemenete, az áramkör kimenete magasra fordul. (Ez pontosan az ellenkezője annak, ami a korábbi áramkörben történik.)
Kétbemenetes logikai kapuk tervezése tranzisztorok felhasználásával
ÉS kapu két tranzisztor használatával
A 3. ábra szemlélteti, hogyan lehet létrehozni egy alapvető kétbemenetes ÉS kaput egy pár puffer használatával, valamint az adott kapu igazságtáblázatát. Az igazságtáblázat szemlélteti, hogy milyen kimeneti eredmények lennének az egyes bemeneti készletek esetén. Az A és B pont az áramkör bemeneteként, a C pont pedig az áramkör kimeneteként szolgál.
Az igazságtáblázatból fontos megjegyezni, hogy a bemeneti paraméterek egyetlen halmaza logikailag magas kimeneti jelet eredményez, míg az összes többi bemeneti kombináció logikailag alacsony kimenetet eredményez. A 3. ábrán látható ÉS kapu kimenete valamivel V+ alatt marad, ha magasra fordul.
Ez a két tranzisztor (Q1 és Q2) közötti feszültségesés miatt történik.
NAND kapu két tranzisztor használatával
A 3. ábrán látható áramkör egy másik változata és a hozzá tartozó igazságtáblázat a 4. ábrán látható. Az áramkör NÉS-kapuvá válik azáltal, hogy a kimenetet (C pont) és a kimeneti ellenállást a felső tranzisztor (Q1) kollektorába tolja.
Mivel a Q1-et és a Q2-t is BE kell kapcsolni, hogy az R1 alsó oldalát a testre húzzuk, a C kimenet feszültségvesztesége jelentéktelen.
Ha a tranzisztor ÉS vagy a tranzisztor NAND kapunak kettőnél több bemenetre van szüksége, akkor több tranzisztor csatlakoztatható a bemutatott kivitelben, hogy három, négy stb. bemeneti ÉS vagy NAND kaput biztosítsanak.
Az egyes tranzisztorok feszültségveszteségének kompenzálása érdekében azonban a V+-t ennek megfelelően növelni kell.
VAGY Kapu két tranzisztor használatával
A két bemenettel rendelkező logikai áramkör egy másik formája látható az 5. ábrán az VAGY-kapu áramkör igazságtáblázatával együtt.
Az áramkör kimenete magas, ha akár az A, akár a B bemenetet magasra toljuk, azonban a kaszkádos tranzisztorok miatt a feszültségesés 0,5 volt felett van. A megjelenített számok ismét azt jelzik, hogy elegendő feszültség és áram áll rendelkezésre a következő tranzisztoros kapu működtetéséhez.
NOR Gate két tranzisztorral
A 6. ábra a listánk következő kapuját, egy kétbemenetes NOR kaput ábrázolja annak igazságtáblázatával együtt. Hasonlóan ahhoz, ahogy az ÉS és a NAND kapuk reagálnak egymásra, az VAGY és a NOR áramkörök ugyanezt teszik.
A megjelenített kapuk mindegyike elegendő meghajtót képes szolgáltatni legalább egy vagy több szomszédos tranzisztor kapu aktiválásához.
Tranzisztoros logikai kapualkalmazások
Mit csinálsz a fent leírt digitális áramkörökkel, amelyekkel most rendelkezel? Bármi, amit a hagyományos TTL vagy CMOS kapukkal elérhet, de anélkül, hogy aggódnia kellene a tápfeszültség korlátozásai miatt. Íme a tranzisztoros logikai kapuk néhány alkalmazása működés közben.
Demultiplexer áramkör
A 7. ábrán egy 1/2 demultiplexer látható három NOT kapuval és két NAND áramkörrel. A megfelelő kimenetet az egybites 'címbemenet' segítségével választjuk ki, amely lehet OUTPUT1 vagy OUTPUT2, miközben a vezetési információkat alkalmazza. az áramkörhöz a DATA bemenet segítségével.
Az áramkör akkor működik a leghatékonyabban, ha az adatsebességet 10 kHz alatt tartják. Az áramkör működése egyértelmű. A DATA bemenetet a szükséges jellel látják el, amely bekapcsolja a Q3-at és invertálja a bejövő adatokat a Q3 kollektorán.
A Q1 kimenete magasra kerül, ha a ADDRESS bemenet alacsony (földelt vagy nincs jel). A Q1 kollektoránál a nagy teljesítmény két útra oszlik. Az első útvonalon a Q1 kimenete a Q5 bázisához (egy kétbemenetes NAND kapu egyik lábához) kerül, bekapcsolva azt, és ezáltal 'aktiválva' a Q4-ből és Q5-ből álló NAND kaput.
A második útvonalon a Q1 magas kimenete egyidejűleg egy másik NEM kapu (Q2) bemenetére kerül. Dupla inverzió után a Q2 kimenete alacsonyra fordul. Ezt az alacsony értéket látja el a Q7 alapja (egy második NAND kapu egyik terminálja, amely Q6-ból és Q7-ből áll), így kikapcsolja a NAND áramkört.
Ilyen körülmények között a DATA bemenetre alkalmazott minden információ vagy jel az 1. kimenetre érkezik. Alternatív megoldásként a helyzet megfordul, ha magas jelet kap a ADDRESS bemenet. Ez azt jelenti, hogy az áramkörnek biztosított minden információ megjelenik az OUTPUT2-en, mivel a Q4/Q5 NAND kapu le van tiltva, és a Q6/Q7 NAND kapu engedélyezve van.
Oszcillátor áramkör (óragenerátor)
Következő tranzisztoros logikai kapualkalmazásunk, amelyet a 8. ábra szemléltet, egy alapvető órajelgenerátor (más néven oszcillátor), amely három közönséges NOT gate inverterből áll (amelyek közül az egyik egy R2 visszacsatoló ellenállással van előfeszítve, amely behelyezi az analóg régió).
A kimenet kiegyenlítésére egy harmadik NEM-kapu (Q3) található, amely az oszcillátor kimenetének komplementerét szállítja. A C1 érték növelhető vagy csökkenthető az áramkör működési frekvenciájának megváltoztatásához. A kimenő hullámforma körülbelül 7 kHz frekvenciájú V+ mellett 1,5 V egyenfeszültségen, a jelzett komponensértékek felhasználásával.
RS reteszelő áramkör
A 9. ábra a végső alkalmazási áramkörünket mutatja, egy két NOR kapuból álló RS reteszt. Az egészséges kimeneti hajtás biztosítása érdekében a Q és Q kimeneteken az R3 és R4 ellenállások 1k ohmra vannak állítva.
Az RS retesz igazságtáblázata a vázlatos terv mellett jelenik meg. Ez csak néhány illusztráció a számos megbízható, alacsony feszültségű, digitális logikai kapu áramkörről, amelyek egyedi tranzisztorok felhasználásával létrehozhatók.
A tranzisztorizált logikát használó áramkörök túl sok alkatrészt igényelnek
Számos probléma megoldható ezen kisfeszültségű tranzisztoros logikai áramkörök mindegyikével. Azonban túl sok ilyen tranzisztorizált kapu alkalmazása új problémákhoz vezethet.
A tranzisztorok és ellenállások száma meglehetősen nagyra nőhet, ha az Ön által épített alkalmazás nagy mennyiségű kaput tartalmaz, amelyek értékes helyet foglalnak el.
A probléma megoldásának egyik módja a tranzisztortömbök (sok tranzisztor műanyagba zárt) és SIP (Single Inline Package) ellenállások használata az egyes egységek helyett.
A fenti megközelítés tonnányi helyet takaríthat meg a NYÁK-on, miközben a teljes méretű megfelelőikével megegyező teljesítményt tart fenn. A tranzisztortömbök felületre szerelhető, 14 tűs átmenőlyukú és négycsomagos csomagolásban kaphatók.
A legtöbb áramkör esetében a tranzisztortípusok keverése meglehetősen elfogadható.
Mindazonáltal célszerű, hogy a kísérletező egyetlen típusú tranzisztorral dolgozzon a tranzisztorizált logikai áramkörök felépítéséhez (vagyis ha egy kapu egy szakaszát BC547-el hozzuk létre, akkor próbálja meg ugyanazt a BJT-t használni a többi megmaradt kapu elkészítéséhez is).
Az indoklás az, hogy a különböző tranzisztorváltozatok némileg eltérő tulajdonságokkal rendelkezhetnek, és így eltérően viselkedhetnek.
Például egyes tranzisztorok esetében az alapbekapcsolási határérték nagyobb vagy kisebb lehet, mint egy másik, vagy az egyiknél valamivel nagyobb vagy kisebb lehet az általános áramerősítés.
Másrészt az egyetlen típusú tranzisztorból álló ömlesztett doboz vásárlásának költsége is alacsonyabb lehet. Az áramkörök teljesítménye javulni fog, ha a logikai kapuk megfelelő tranzisztorok felhasználásával épülnek fel, és a projekt teljes egészében kifizetődőbb lesz.
