In questo post impareremo come costruire porte logiche NOT, AND, NAND, OR e NOR usando transistor discreti. Il vantaggio principale dell'utilizzo delle porte logiche a transistor è che possono funzionare anche con tensioni fino a 1,5 V.
In alcune applicazioni elettroniche la tensione disponibile potrebbe essere inadeguata per alimentare circuiti integrati TTL o anche CMOS. Ciò è particolarmente vero per i gadget che funzionano a batterie. Senza dubbio, hai sempre l'opzione IC logico a 3 volt. Tuttavia, questi non sono sempre facilmente accessibili all'appassionato o allo sperimentatore e non funzionano al di sotto delle specifiche di tensione definite (generalmente al di sotto di 2,5 volt CC).
Inoltre, potrebbe esserci posto solo per una singola batteria da 1,5 volt in un'applicazione alimentata a batteria. Bene, allora cosa hai intenzione di fare? Di solito Porte logiche IC potrebbero essere sostituiti da porte logiche transistorizzate. Per ogni particolare porta logica, sono generalmente richiesti solo un paio di transistor e per una tipica logica di invertitore di porta NOT, è richiesto un solo transistor.
FET contro transistor bipolare
Transistor ad effetto di campo (FET) vs transistor bipolari : qual è l'opzione migliore per i circuiti logici a bassa tensione? Una grande caratteristica di FATTI è che la loro resistenza 'on' è incredibilmente bassa. Inoltre, hanno bisogno di una corrente di accensione del gate molto bassa.
Tuttavia, hanno una limitazione nelle applicazioni a bassissima tensione. In genere, il limite di tensione del gate è di circa un volt. Inoltre, la tensione disponibile può diminuire al di sotto dell'intervallo di lavoro ottimale del FET se al gate è collegato un resistore di limitazione della corrente o di pull-down.
Al contrario, i transistor di commutazione bipolari presentano un vantaggio nelle applicazioni a batteria singola a bassissima tensione poiché richiedono solo da 0,6 a 0,7 volt per l'accensione.
Inoltre, la maggior parte dei comuni FET, che sono normalmente venduti in pacchi a bolle nel negozio di elettronica più vicino, sono spesso più costosi dei transistor bipolari. Inoltre, in genere è possibile acquistare un pacchetto all'ingrosso di transistor bipolari al prezzo di una coppia di FET.
La gestione del FET richiede molta più attenzione rispetto alla gestione del transistor bipolare. L'uso improprio sperimentale elettrostatico e generale rende i FET particolarmente soggetti a danni. I componenti bruciati possono rovinare una serata divertente e creativa di sperimentazione o innovazione, per non dimenticare il dolore emotivo del debug.
Nozioni di base sulla commutazione dei transistor
Gli esempi di circuiti logici spiegati in questo articolo fanno uso di transistor bipolari NPN poiché sono convenienti e non richiedono una gestione speciale. Per evitare di danneggiare il dispositivo o le parti che lo supportano, è necessario adottare adeguate misure di sicurezza prima di collegare il circuito.
Anche se i nostri circuiti sono prevalentemente incentrati su transistor bipolari a giunzione (BJT), avrebbero potuto essere ugualmente costruiti utilizzando la tecnologia FET.
Il circuito dell'interruttore di base è una semplice applicazione a transistor, che è uno dei progetti più semplici.
Realizzare una porta NOT con un singolo transistor
Uno schema dell'interruttore del transistor è mostrato nella Figura 1. A seconda di come è implementato in una particolare applicazione, l'interruttore può essere visto come mantenuto basso o normalmente aperto.
Una semplice porta logica dell'inverter con porta NOT può essere creata dal semplice circuito di commutazione mostrato in Fig. 1 (dove il punto A è l'ingresso). Una porta NOT funziona in modo tale che se non viene fornita alcuna polarizzazione CC alla base del transistor (punto A; Q1), rimarrà spenta, risultando in un livello alto o logico 1 (uguale a V+) all'uscita ( punto B).
Tuttavia, il transistor si attiva quando viene fornita la corretta polarizzazione alla base di Q1, spingendo l'uscita del circuito a un livello basso oa 0 logico (quasi uguale a zero potenziale). Il transistor, denominato Q1, è un transistor bipolare generico, o BC547, che viene tipicamente utilizzato in applicazioni di commutazione e amplificazione a bassa potenza.
Qualsiasi transistor che gli sia equivalente (come 2N2222, 2N4401, ecc.) Funzionerebbe. I valori di R1 e R2 sono stati selezionati per raggiungere un compromesso tra basso consumo di corrente e compatibilità. In tutti i modelli, i resistori sono tutti da 1/4 watt, unità al 5%.
La tensione di alimentazione è regolabile tra 1,4 e 6 volt CC. Si noti che il circuito può funzionare come un buffer quando il resistore di carico e la connessione di uscita vengono spostati sull'emettitore del transistor.
Realizzare un Buffer Gate utilizzando un singolo BC547 BJT
Un inseguitore di tensione, o amplificatore buffer, è un tipo di configurazione di commutazione logica identica a quella mostrata nella Figura 2. Va notato che il resistore di carico e il terminale di uscita sono stati spostati dal collettore del transistor al suo emettitore in questo circuito, che è la differenza principale tra questo progetto e quello mostrato in Fig. 1.
Il funzionamento del transistor può anche essere 'capovolto' spostando il resistore di carico e il terminale di uscita all'altra estremità del BJT.
In altre parole, quando non viene fornita alcuna polarizzazione all'ingresso del circuito, l'uscita del circuito rimane bassa; tuttavia, quando viene fornita una polarizzazione di tensione adeguata all'ingresso del circuito, l'uscita del circuito diventa alta. (Questo è esattamente l'opposto di ciò che accade nel circuito precedente.)
Progettazione di porte logiche a due ingressi utilizzando i transistor
AND Gate utilizzando due transistor
La Figura 3 illustra come è possibile creare una porta AND di base a due ingressi utilizzando una coppia di buffer, insieme alla tabella di verità per quella porta. La tabella di verità illustra quali sarebbero i risultati di output per ciascun insieme distinto di input. I punti A e B vengono utilizzati come ingressi del circuito e il punto C funge da uscita del circuito.
È importante notare dalla tabella della verità che un solo insieme di parametri di ingresso risulta in un segnale di uscita logico alto, mentre tutte le altre combinazioni di ingresso risultano in un'uscita logico basso. L'uscita della porta AND nella Figura 3 rimane leggermente al di sotto di V+ una volta che diventa alta.
Ciò accade a causa della caduta di tensione tra i due transistor (Q1 e Q2).
Porta NAND che utilizza due transistor
Un'altra variante del circuito in Figura 3 e la tabella di verità associata sono mostrate in Figura 4. Il circuito si trasforma in una porta NAND spostando l'uscita (punto C) e il resistore di uscita sul collettore del transistor superiore (Q1).
Poiché sia Q1 che Q2 devono essere accesi per portare a massa il lato inferiore di R1, la perdita di tensione all'uscita C è insignificante.
Se il transistor AND o le porte NAND del transistor richiedono più di due ingressi, è possibile collegare più transistor nei progetti mostrati per fornire tre, quattro, ecc., porte AND o NAND di ingresso.
Tuttavia, per compensare le perdite di tensione dei singoli transistor, V+ dovrebbe essere corrispondentemente aumentato.
OR Gate utilizzando due transistor
Un'altra forma di circuito logico con due ingressi può essere vista nella Figura 5, insieme alla tabella di verità del circuito OR-gate.
L'uscita del circuito è alta quando l'ingresso A o l'ingresso B viene spinto in alto, tuttavia, a causa dei transistor in cascata, la caduta di tensione è superiore a 0,5 volt. Ancora una volta, le cifre visualizzate indicano che c'è tensione e corrente sufficienti per azionare la successiva gate del transistor.
NOR Gate utilizzando due transistor
La Figura 6 mostra la porta successiva della nostra lista, una porta NOR a due ingressi, insieme alla sua tabella di verità. Simile al modo in cui le porte AND e NAND rispondono l'una all'altra, i circuiti OR e NOR fanno lo stesso.
Ciascuna delle porte visualizzate è in grado di fornire un'unità sufficiente per attivare almeno una o più porte a transistor adiacenti.
Applicazioni del gate logico a transistor
Cosa fai con i circuiti digitali sopra spiegati che ora possiedi? Tutto ciò che potresti realizzare con i gate TTL o CMOS convenzionali, ma senza preoccuparti delle restrizioni sulla tensione di alimentazione. Ecco alcune applicazioni in azione delle porte logiche a transistor.
Circuito demultiplatore
Nella Figura 7 è mostrato un demultiplexer 1 su 2 con tre porte NOT e due circuiti NAND. L'uscita appropriata viene scelta utilizzando l''input di indirizzo' a un bit, che può essere OUTPUT1 o OUTPUT2, mentre vengono applicate le informazioni di guida al circuito utilizzando l'ingresso DATA.
Il circuito funziona in modo più efficace quando la velocità dei dati viene mantenuta al di sotto di 10 kHz. La funzionalità del circuito è semplice. L'ingresso DATA viene fornito con il segnale richiesto, che attiva Q3 e inverte i dati in ingresso al collettore di Q3.
L'uscita di Q1 viene portata alta se l'ingresso ADDRESS è basso (viene fornito un segnale collegato a massa o non viene fornito). Al collettore del Q1, l'alta potenza è divisa in due percorsi. Nel primo percorso, l'uscita di Q1 viene fornita alla base di Q5 (una delle gambe di una porta NAND a due ingressi), accendendola e quindi 'attivando' la porta NAND composta da Q4 e Q5.
Nel secondo percorso, l'uscita alta di Q1 viene fornita simultaneamente all'ingresso di un'altra porta NOT (Q2). Dopo aver subito una doppia inversione, l'uscita di Q2 diventa bassa. Questo basso viene fornito alla base di Q7 (un terminale di una seconda porta NAND, composta da Q6 e Q7), spegnendo così il circuito NAND.
Qualsiasi informazione o segnale applicato all'ingresso DATA arriva a OUTPUT1 in queste circostanze. In alternativa, la situazione è invertita se viene fornito un segnale alto all'ingresso ADDRESS. Ciò significa che tutte le informazioni fornite al circuito verranno visualizzate in OUTPUT2 poiché la porta NAND Q4/Q5 è disabilitata e la porta NAND Q6/Q7 è abilitata.
Circuito oscillatore (generatore di orologio)
La nostra prossima applicazione di gate logico a transistor, illustrata in Fig. 8, è un generatore di clock di base (noto anche come oscillatore) costituito da tre normali inverter di gate NOT (uno dei quali è polarizzato utilizzando un resistore di feedback, R2, che lo inserisce in la regione analogica).
Per quadrare l'uscita, è inclusa una terza porta NOT (Q3) che fornisce il complemento all'uscita dell'oscillatore. Il valore C1 può essere aumentato o diminuito per modificare la frequenza di funzionamento del circuito. La forma d'onda di uscita ha una frequenza di circa 7 kHz con V+ a 1,5 volt CC, utilizzando i valori dei componenti indicati.
Circuito di blocco RS
La Fig. 9 mostra il nostro circuito di applicazione finale, un latch RS composto da due porte NOR. Per garantire un'unità di uscita sana alle uscite Q e Q, i resistori R3 e R4 sono regolati su 1k ohm.
La tabella della verità del fermo RS viene visualizzata insieme al progetto schematico. Queste sono solo alcune illustrazioni dei numerosi circuiti digitali a porta logica affidabili, a bassa tensione, che possono essere creati utilizzando singoli transistor.
I circuiti che utilizzano la logica transistorizzata richiedono troppe parti
Molti problemi possono essere risolti utilizzando tutti questi circuiti logici transistorizzati a bassa tensione. Tuttavia, l'impiego di troppi di questi gate transistorizzati potrebbe portare a nuovi problemi.
Il numero di transistori e resistori potrebbe diventare abbastanza grande se l'applicazione che stai costruendo contiene una grande quantità di porte, occupando spazio prezioso.
L'uso di array di transistor (molti transistor racchiusi in plastica) e resistori SIP (Single Inline Package) al posto di singole unità è un modo per risolvere questo problema.
L'approccio di cui sopra può far risparmiare una tonnellata di spazio su un pcb pur mantenendo le prestazioni pari a quelle dei loro equivalenti a grandezza naturale. Gli array di transistor sono offerti in confezioni a montaggio superficiale, con foro passante a 14 pin e quadruple.
Per la maggior parte dei circuiti, la miscelazione di tipi di transistor può essere abbastanza accettabile.
Tuttavia, è consigliabile che lo sperimentatore lavori con un solo tipo di transistor per costruire i circuiti logici transistorizzati (cioè se crei una sezione di una porta usando BC547, poi prova ad usare lo stesso BJT per realizzare anche le altre porte rimanenti).
Il ragionamento è che varie varianti di transistor potrebbero avere proprietà leggermente diverse e quindi potrebbero comportarsi in modo diverso.
Ad esempio, per alcuni transistor il limite di accensione di base potrebbe essere maggiore o minore di un altro, oppure uno potrebbe avere un guadagno di corrente complessivo leggermente superiore o inferiore.
D'altra parte, anche il costo per l'acquisto di una scatola sfusa di un singolo tipo di transistor potrebbe essere inferiore. Le prestazioni dei tuoi circuiti miglioreranno se le tue porte logiche sono costruite utilizzando transistor corrispondenti e il progetto nella sua interezza sarà in definitiva più gratificante.
