En aquesta publicació aprendrem a construir portes lògiques NOT, AND, NAND, OR i NOR utilitzant transistors discrets. El principal avantatge d'utilitzar portes lògiques de transistors és que poden funcionar fins i tot amb tensions tan baixes com 1,5 V.
En algunes aplicacions electròniques, la tensió disponible pot ser inadequada per alimentar circuits integrats TTL o fins i tot CMOS. Això és especialment cert per als aparells que funcionen amb piles. Sens dubte, sempre teniu l'opció IC lògica de 3 volts. Tanmateix, aquests no sempre són fàcilment accessibles per a l'entusiaste o l'experimentador, i no funcionen per sota de les especificacions de tensió definides (generalment per sota de 2,5 volts DC).
A més, pot ser que només hi hagi lloc per a una única bateria d'1,5 volts en una aplicació alimentada per bateria. Bé, llavors què faràs? Generalment Portes lògiques IC es podria substituir per portes lògiques transistoritzades. Per a cada porta lògica en particular, només es requereixen un parell de transistors, i per a una lògica d'inversor de porta NO típica, només es requereix un transistor.
FET versus transistor bipolar
Transistors d'efecte de camp (FET) vs transistors bipolars : quina és la millor opció per als circuits lògics de baixa tensió? Una gran característica de FETs és que la seva resistència 'encès' és increïblement baixa. A més, necessiten un corrent d'encesa de la porta molt baix.
Tanmateix, tenen una limitació en aplicacions de tensió extremadament baixa. Normalment, el límit de tensió de la porta és d'un volt més o menys. A més, la tensió disponible pot disminuir per sota del rang de treball òptim del FET si s'adjunta una resistència de limitació de corrent o de baixada a la porta.
Per contra, els transistors de commutació bipolar tenen un avantatge en aplicacions de bateria única de tensió extremadament baixa, ja que només necessiten de 0,6 a 0,7 volts per encendre.
A més, la majoria dels FET comuns, que normalment es venen en paquets de bombolles a la botiga d'electrònica més propera, solen ser més costosos que els transistors bipolars. A més, generalment es podria comprar un paquet a granel de transistors bipolars pel preu d'un parell de FET.
El maneig de FET requereix molta més cura que el maneig de transistors bipolars. El mal ús electrostàtic i experimental general fan que els FET siguin especialment propensos a danyar-se. Els components cremats poden arruïnar una vetllada divertida i creativa d'experimentació o innovació, sense oblidar el dolor emocional de la depuració.
Conceptes bàsics de commutació de transistors
Els exemples de circuits lògics explicats en aquest article fan ús de transistors NPN bipolars, ja que són assequibles i no necessiten un maneig especial. Per evitar danys al dispositiu o a les peces que el suporten, s'han de prendre mesures de seguretat adequades abans de connectar el circuit.
Tot i que els nostres circuits es centren principalment en transistors d'unió bipolar (BJT), es podrien haver construït igualment bé amb la tecnologia FET.
El circuit de commutació bàsic és una aplicació de transistor senzilla, que és un dels dissenys més fàcils.
Fer una porta NOT amb un únic transistor
A la figura 1 es mostra un esquema de l'interruptor del transistor. Depenent de com s'implementa en una aplicació concreta, es pot veure que l'interruptor es manté baix o normalment obert.
Una porta lògica d'inversor de porta NO simple es pot crear mitjançant el circuit de commutació senzill que es mostra a la figura 1 (on el punt A és l'entrada). Una porta NOT funciona de tal manera que si no es proporciona cap polarització de CC a la base del transistor (punt A; Q1), romandrà apagada, donant lloc a un 1 lògic elevat (igual al nivell V+) a la sortida ( punt B).
No obstant això, el transistor s'activa quan es proporciona la polarització adequada a la base de Q1, empenyent la sortida del circuit baixa o a 0 lògic (gairebé igual a zero potencial). El transistor, designat Q1, és un transistor bipolar de propòsit general, o un BC547, que s'utilitza normalment en aplicacions de commutació i amplificadors de baixa potència.
Qualsevol transistor que li sigui equivalent (com el 2N2222, 2N4401, etc.) funcionaria. Els valors de R1 i R2 es van seleccionar per aconseguir un compromís entre el baix consum de corrent i la compatibilitat. En tots els dissenys, les resistències són totes d'1/4 watt, unitats del 5%.
La tensió d'alimentació és ajustable entre 1,4 i 6 volts DC. Tingueu en compte que el circuit pot funcionar com un buffer quan la resistència de càrrega i la connexió de sortida es desplacen a l'emissor del transistor.
Fer una porta de memòria intermèdia amb un únic BC547 BJT
Un seguidor de tensió, o amplificador de memòria intermèdia, és un tipus de configuració de commutació lògica idèntica a la que es mostra a la figura 2. Cal tenir en compte que la resistència de càrrega i el terminal de sortida s'han desplaçat del col·lector del transistor al seu emissor en aquest circuit, que és la diferència principal entre aquest disseny i el que es mostra a la figura 1.
El funcionament del transistor també es pot 'invertir' movent la resistència de càrrega i el terminal de sortida a l'altre extrem del BJT.
En altres paraules, quan no es proporciona cap biaix a l'entrada del circuit, la sortida del circuit es manté baixa; tanmateix, quan es subministra una polarització de tensió adequada a l'entrada del circuit, la sortida del circuit es torna alta. (Això és exactament el contrari del que passa al circuit anterior.)
Disseny de portes lògiques de dues entrades amb transistors
AND Gate utilitzant dos transistors
La figura 3 il·lustra com es pot crear una porta AND bàsica de dues entrades utilitzant un parell de buffers, juntament amb la taula de veritat per a aquesta porta. La taula de veritat il·lustra quins serien els resultats de sortida per a cada conjunt diferent d'entrades. Els punts A i B s'utilitzen com a entrades del circuit i el punt C serveix com a sortida del circuit.
És important assenyalar de la taula de veritat que només un conjunt de paràmetres d'entrada produeix un senyal de sortida lògic-alt, mentre que totes les altres combinacions d'entrada donen lloc a una sortida lògica baixa. La sortida de la porta AND de la figura 3 es manté lleugerament per sota de V + un cop s'eleva.
Això passa a causa de la caiguda de tensió entre els dos transistors (Q1 i Q2).
Porta NAND amb dos transistors
Una altra variant del circuit de la figura 3 i la taula de veritat associada es mostren a la figura 4. El circuit es converteix en una porta NAND desplaçant la sortida (punt C) i la resistència de sortida al col·lector del transistor superior (Q1).
Com que tant Q1 com Q2 s'han d'encendre per tirar el costat baix de R1 a terra, la pèrdua de tensió a la sortida C és insignificant.
Si les portes del transistor AND o del transistor NAND necessiten més de dues entrades, es podrien connectar més transistors als dissenys mostrats per proporcionar tres, quatre, etc., portes d'entrada AND o NAND.
Tanmateix, per compensar les pèrdues de tensió dels transistors individuals, V+ s'hauria d'augmentar en conseqüència.
O Porta amb dos transistors
A la figura 5 es pot veure una altra forma de circuit lògic amb dues entrades, juntament amb la taula de veritat del circuit de la porta OR.
La sortida del circuit és alta quan l'entrada A o l'entrada B s'impulsen alt, però a causa dels transistors en cascada, la caiguda de tensió és superior a 0,5 volts. Una vegada més, les xifres que es mostren indiquen que hi ha prou tensió i corrent per fer funcionar la porta del transistor posterior.
Porta NOR utilitzant dos transistors
La figura 6 mostra la següent porta de la nostra llista, una porta NOR de dues entrades, juntament amb la seva taula de veritat. De manera similar a com les portes AND i NAND responen entre si, els circuits OR i NOR fan el mateix.
Cadascuna de les portes que es mostren és capaç de subministrar prou unitat per activar almenys una o més portes de transistors adjacents.
Aplicacions de portes lògiques de transistors
Què feu amb els circuits digitals explicats anteriorment que teniu ara? Qualsevol cosa que pugueu aconseguir amb portes TTL o CMOS convencionals, però sense preocupar-vos per les restriccions de tensió de subministrament. Aquí hi ha algunes aplicacions de portes lògiques de transistors en acció.
Circuit demultiplexor
A la figura 7 es veu un demultiplexor 1 de 2 amb tres portes NOT i dos circuits NAND. La sortida adequada s'escull utilitzant l''entrada d'adreça' d'un bit, que pot ser OUTPUT1 o OUTPUT2, mentre s'aplica la informació de conducció. al circuit mitjançant l'entrada DATA.
El circuit funciona de manera més eficaç quan la velocitat de dades es manté per sota dels 10 kHz. La funcionalitat del circuit és senzilla. L'entrada DATA es subministra amb el senyal requerit, que activa Q3 i inverteix les dades entrants al col·lector de Q3.
La sortida de Q1 és alta si l'entrada ADDRESS és baixa (a terra o no es proporciona cap senyal). Al col·lector del Q1, l'alta sortida es divideix en dos camins. En el primer camí, la sortida de Q1 es subministra a la base de Q5 (una de les potes d'una porta NAND de dues entrades), activant-la i, per tant, 'activant' la porta NAND formada per Q4 i Q5.
En el segon camí, la sortida alta de Q1 es subministra simultàniament a l'entrada d'una altra porta NOT (Q2). Després de patir una doble inversió, la sortida de Q2 es torna baixa. Aquesta baixa es subministra a la base del Q7 (un terminal d'una segona porta NAND, formada per Q6 i Q7), apagant així el circuit NAND.
Qualsevol informació o senyal aplicada a l'entrada DATA arriba a OUTPUT1 en aquestes circumstàncies. Alternativament, la situació s'inverteix si es dóna un senyal alt a l'entrada ADDRESS. És a dir, qualsevol informació proporcionada al circuit es mostrarà a OUTPUT2, ja que la porta NAND Q4/Q5 està desactivada i la porta NAND Q6/Q7 està habilitada.
Circuit oscil·lador (generador de rellotge)
La nostra següent aplicació de porta lògica de transistors, il·lustrada a la figura 8, és un generador de rellotge bàsic (també conegut com a oscil·lador) fet de tres inversors de porta NOT normals (un dels quals està polaritzat mitjançant una resistència de retroalimentació, R2, que el posa en la regió analògica).
Per quadrar la sortida, s'inclou una tercera porta NOT (Q3) que proporciona el complement a la sortida de l'oscil·lador. El valor C1 es pot augmentar o disminuir per canviar la freqüència de funcionament del circuit. La forma d'ona de sortida té una freqüència d'uns 7 kHz amb V+ a 1,5 volts DC, utilitzant els valors dels components indicats.
Circuit RS Latch
La figura 9 mostra el nostre circuit d'aplicació final, un pestell RS format per dues portes NOR. Per tal de garantir una unitat de sortida saludable a les sortides Q i Q, les resistències R3 i R4 s'ajusten a 1k ohms.
La taula de veritat del pestell RS es mostra al costat del disseny esquemàtic. Aquestes són només unes quantes il·lustracions dels diversos circuits digitals de porta lògica de baix voltatge fiables que es poden crear amb transistors individuals.
Els circuits que utilitzen lògica transistoritzada necessiten massa peces
Es poden resoldre molts problemes utilitzant tots aquests circuits lògics transistoritzats de baixa tensió. Tanmateix, emprar massa d'aquestes portes transistoritzades podria provocar nous problemes.
El nombre de transistoris i resistències pot ser força gran si l'aplicació que esteu construint conté una gran quantitat de portes, que ocupen un espai valuós.
L'ús de matrius de transistors (molts transistors tancats en plàstic) i resistències SIP (paquet únic en línia) en lloc d'unitats individuals és una manera de resoldre aquest problema.
L'enfocament anterior pot estalviar una tona d'espai en un PCB mentre manté un rendiment igual al dels seus equivalents de mida completa. Les matrius de transistors s'ofereixen en embalatge de muntatge superficial, forat passant de 14 pins i paquet quàdruple.
Per a la majoria de circuits, la barreja de tipus de transistors pot ser força acceptable.
No obstant això, és aconsellable que l'experimentador treballi amb un únic tipus de transistor per construir els circuits lògics transistoritzats (és a dir, si creeu una secció d'una porta amb BC547, intenteu utilitzar el mateix BJT per fer també les altres portes restants).
El raonament és que diverses variants de transistors podrien tenir propietats una mica diferents i, per tant, es podrien comportar de manera diferent.
Per exemple, per a alguns transistors, el límit d'encesa de la base pot ser més gran o més petit que un altre, o un pot tenir un guany de corrent general una mica més alt o inferior.
D'altra banda, el cost de comprar una caixa a granel d'un sol tipus de transistor també podria ser més baix. El rendiment dels vostres circuits millorarà si les vostres portes lògiques es construeixen amb transistors coincidents i, finalment, el projecte en la seva totalitat serà més gratificant.
