In diesem Beitrag lernen wir, wie man NOT-, AND-, NAND-, OR- und NOR-Logikgatter mit diskreten Transistoren baut. Der Hauptvorteil der Verwendung von Transistor-Logikgattern besteht darin, dass sie sogar mit Spannungen von nur 1,5 V arbeiten können.
In einigen elektronischen Anwendungen kann die verfügbare Spannung nicht ausreichen, um TTL- oder sogar CMOS-ICs mit Strom zu versorgen. Dies gilt insbesondere für Geräte, die mit Batterien betrieben werden. Zweifellos haben Sie immer die 3-Volt-Logik-IC-Option. Diese sind jedoch für den Enthusiasten oder Experimentator nicht immer leicht zugänglich, und sie arbeiten nicht unterhalb ihrer definierten Spannungsspezifikationen (im Allgemeinen unter 2,5 Volt DC).
Darüber hinaus ist in einer batteriebetriebenen Anwendung möglicherweise nur Platz für eine einzelne 1,5-Volt-Batterie. Nun, was wirst du dann tun? Normalerweise IC-Logikgatter könnten durch transistorisierte Logikgatter ersetzt werden. Für jedes bestimmte Logikgatter sind im Allgemeinen nur ein paar Transistoren erforderlich, und für eine typische NICHT-Gatter-Inverterlogik ist nur ein Transistor erforderlich.
FETs versus Bipolartransistor
Feldeffekttransistoren (FETs) vs bipolare Transistoren : Welches ist die bessere Option für Niederspannungslogikschaltungen? Ein großartiges Feature von FAKTEN ist, dass ihr 'Ein' -Widerstand unglaublich niedrig ist. Außerdem benötigen sie einen sehr niedrigen Gate-Einschaltstrom.
Sie haben jedoch eine Einschränkung bei Anwendungen mit extrem niedriger Spannung. Typischerweise beträgt die Gate-Spannungsgrenze etwa ein Volt. Darüber hinaus kann die verfügbare Spannung unter den optimalen Arbeitsbereich des FET fallen, wenn ein Strombegrenzungs- oder Pull-down-Widerstand am Gate angebracht ist.
Umgekehrt haben bipolare Schalttransistoren einen Vorteil bei Einzelbatterieanwendungen mit extrem niedriger Spannung, da sie nur 0,6 bis 0,7 Volt zum Einschalten benötigen.
Darüber hinaus sind die meisten gängigen FETs, die normalerweise in Bubble Packs in Ihrem nächsten Elektronikgeschäft verkauft werden, oft teurer als Bipolartransistoren. Außerdem könnte ein Massenpaket von Bipolartransistoren im Allgemeinen zum Preis eines Paars FETs erworben werden.
Die Handhabung von FETs erfordert wesentlich mehr Sorgfalt als die Handhabung von Bipolartransistoren. Elektrostatischer und allgemeiner experimenteller Missbrauch machen FETs besonders anfällig für Schäden. Verbrannte Komponenten können einen unterhaltsamen, kreativen Experimentier- oder Innovationsabend ruinieren, ganz zu schweigen von den emotionalen Schmerzen beim Debuggen.
Grundlagen der Schalttransistoren
Die in diesem Artikel erläuterten Beispiele für Logikschaltungen verwenden bipolare NPN-Transistoren, da sie erschwinglich sind und keine besondere Handhabung erfordern. Um eine Beschädigung des Geräts oder der Teile, die es tragen, zu vermeiden, sollten geeignete Sicherheitsmaßnahmen ergriffen werden, bevor Sie Ihren Stromkreis anschließen.
Obwohl unsere Schaltungen überwiegend auf Bipolar Junction Transistors (BJTs) basieren, hätten sie genauso gut mit FET-Technologie aufgebaut werden können.
Die grundlegende Schalterschaltung ist eine einfache Transistoranwendung, die eines der einfachsten Designs ist.
Erstellen eines NICHT-Gatters mit einem einzelnen Transistor
Ein Schema des Transistorschalters ist in Abbildung 1 dargestellt. Je nachdem, wie er in einer bestimmten Anwendung implementiert ist, kann der Schalter entweder als niedrig gehalten oder als normalerweise offen angesehen werden.
Ein einfaches NICHT-Gatter-Inverter-Logikgatter kann durch den in Fig. 1 gezeigten unkomplizierten Schaltkreis erzeugt werden (wobei Punkt A der Eingang ist). Ein NICHT-Gatter arbeitet so, dass, wenn keine DC-Vorspannung an die Basis des Transistors (Punkt A; Q1) angelegt wird, es abgeschaltet bleibt, was zu einem hohen oder logischen 1 (gleich dem V+-Pegel) am Ausgang führt ( Punkt B).
Der Transistor wird jedoch aktiviert, wenn die richtige Vorspannung an die Basis von Q1 angelegt wird, wodurch der Ausgang der Schaltung auf Low oder auf logisch 0 (fast gleich Nullpotential) gedrückt wird. Der mit Q1 bezeichnete Transistor ist ein Allzweck-Bipolartransistor oder ein BC547, der typischerweise in Niederleistungs-Schalt- und Verstärkeranwendungen verwendet wird.
Jeder äquivalente Transistor (wie 2N2222, 2N4401 usw.) würde funktionieren. Die Werte von R1 und R2 wurden ausgewählt, um einen Kompromiss zwischen niedrigem Stromverbrauch und Kompatibilität zu finden. In allen Designs sind die Widerstände alle 1/4 Watt, 5%-Einheiten.
Die Versorgungsspannung ist zwischen 1,4 und 6 Volt DC einstellbar. Beachten Sie, dass die Schaltung wie ein Puffer arbeiten kann, wenn der Lastwiderstand und der Ausgangsanschluss zum Emitter des Transistors verschoben werden.
Erstellen eines Buffer Gate mit einem einzelnen BC547 BJT
Ein Spannungsfolger oder Pufferverstärker ist eine Art logischer Schaltkonfiguration, die mit der in Abbildung 2 gezeigten identisch ist. Es sollte beachtet werden, dass der Lastwiderstand und der Ausgangsanschluss in dieser Schaltung vom Kollektor des Transistors zu seinem Emitter verschoben wurden der Hauptunterschied zwischen diesem Design und dem in Abb. 1 gezeigten.
Die Funktionsweise des Transistors kann auch 'umgedreht' werden, indem der Lastwiderstand und der Ausgangsanschluss an das andere Ende des BJT verschoben werden.
Mit anderen Worten, wenn dem Eingang der Schaltung keine Vorspannung zugeführt wird, bleibt der Ausgang der Schaltung niedrig; wenn jedoch eine Vorspannung mit angemessener Spannung an den Eingang der Schaltung angelegt wird, wird der Ausgang der Schaltung hoch. (Das ist genau das Gegenteil von dem, was in der früheren Schaltung passiert.)
Entwerfen von Logikgattern mit zwei Eingängen unter Verwendung von Transistoren
UND-Gatter mit zwei Transistoren
Fig. 3 veranschaulicht, wie ein einfaches UND-Gatter mit zwei Eingängen unter Verwendung eines Pufferpaars zusammen mit der Wahrheitstabelle für dieses Gatter erzeugt werden kann. Die Wahrheitstabelle zeigt, wie die Ausgabeergebnisse für jeden einzelnen Satz von Eingaben aussehen würden. Die Punkte A und B werden als Eingänge der Schaltung verwendet, und Punkt C dient als Ausgang der Schaltung.
Es ist wichtig, anhand der Wahrheitstabelle zu beachten, dass nur ein Satz von Eingangsparametern zu einem logisch hohen Ausgangssignal führt, während alle anderen Eingangskombinationen zu einem logisch niedrigen Ausgang führen. Der Ausgang des UND-Gatters in Abbildung 3 bleibt leicht unter V+, sobald er hoch wird.
Dies geschieht aufgrund des Spannungsabfalls zwischen den beiden Transistoren (Q1 und Q2).
NAND-Gatter mit zwei Transistoren
Eine weitere Variante der Schaltung in Abbildung 3 und die zugehörige Wahrheitstabelle sind in Abbildung 4 dargestellt. Die Schaltung verwandelt sich in ein NAND-Gatter, indem der Ausgang (Punkt C) und der Ausgangswiderstand zum Kollektor des oberen Transistors (Q1) verschoben werden.
Da sowohl Q1 als auch Q2 eingeschaltet werden müssen, um die niedrige Seite von R1 auf Masse zu ziehen, ist der Spannungsverlust am Ausgang C unbedeutend.
Wenn die Transistor-UND- oder Transistor-NAND-Gatter mehr als zwei Eingänge benötigen, könnten gut mehr Transistoren in den gezeigten Designs verbunden werden, um drei, vier usw. Eingangs-UND- oder NAND-Gatter bereitzustellen.
Um jedoch die Spannungsverluste der einzelnen Transistoren zu kompensieren, sollte V+ entsprechend erhöht werden.
ODER-Gatter mit zwei Transistoren
Eine andere Form einer Logikschaltung mit zwei Eingängen ist in Abbildung 5 zusammen mit der Wahrheitstabelle der ODER-Gatter-Schaltung zu sehen.
Der Ausgang der Schaltung ist hoch, wenn entweder Eingang A oder Eingang B hoch geschoben wird, jedoch liegt der Spannungsabfall aufgrund der kaskadierten Transistoren über 0,5 Volt. Wiederum zeigen die angezeigten Zahlen an, dass genügend Spannung und Strom vorhanden sind, um das nachfolgende Transistor-Gate zu betreiben.
NOR-Gatter mit zwei Transistoren
Abbildung 6 zeigt das nächste Gatter auf unserer Liste, ein NOR-Gatter mit zwei Eingängen, zusammen mit seiner Wahrheitstabelle. Ähnlich wie AND- und NAND-Gatter aufeinander reagieren, tun OR- und NOR-Schaltungen dasselbe.
Jedes der angezeigten Gates ist in der Lage, genügend Ansteuerung bereitzustellen, um mindestens ein oder mehrere benachbarte Transistorgates zu aktivieren.
Transistor-Logikgatter-Anwendungen
Was machen Sie mit den oben erläuterten digitalen Schaltungen, die Sie jetzt besitzen? Alles, was Sie mit herkömmlichen TTL- oder CMOS-Gattern erreichen könnten, aber ohne sich Gedanken über die Einschränkungen der Versorgungsspannung machen zu müssen. Hier sind einige Anwendungen von Transistor-Logik-Gattern in Aktion.
Demultiplexer-Schaltung
Ein 1-aus-2-Demultiplexer mit drei NOT-Gattern und zwei NAND-Schaltungen ist in Abbildung 7 zu sehen. Der geeignete Ausgang wird unter Verwendung des Ein-Bit-„Adresseingangs“ ausgewählt, der entweder OUTPUT1 oder OUTPUT2 sein kann, während die Treiberinformationen angelegt werden an die Schaltung über den DATA-Eingang.
Die Schaltung arbeitet am effektivsten, wenn die Datenrate unter 10 kHz gehalten wird. Die Funktionsweise der Schaltung ist einfach. Der DATA-Eingang wird mit dem erforderlichen Signal versorgt, das Q3 einschaltet und die ankommenden Daten am Kollektor von Q3 invertiert.
Der Ausgang von Q1 wird hoch getrieben, wenn der ADDRESS-Eingang niedrig ist (geerdet oder kein Signal wird bereitgestellt). Am Kollektor des Q1 wird der hohe Ausgang in zwei Pfade aufgeteilt. Im ersten Pfad wird der Ausgang von Q1 an die Basis von Q5 (einer der Zweige eines NAND-Gatters mit zwei Eingängen) geliefert, wodurch sie eingeschaltet und somit das aus Q4 und Q5 bestehende NAND-Gatter 'aktiviert' wird.
Im zweiten Pfad wird der hohe Ausgang von Q1 gleichzeitig in den Eingang eines anderen NICHT-Gatters (Q2) eingespeist. Nach einer doppelten Inversion wird der Ausgang von Q2 niedrig. Dieses Low wird der Basis von Q7 zugeführt (ein Anschluss eines zweiten NAND-Gatters, das aus Q6 und Q7 besteht), wodurch die NAND-Schaltung ausgeschaltet wird.
Alle an den DATA-Eingang angelegten Informationen oder Signale kommen unter diesen Umständen an OUTPUT1 an. Alternativ wird die Situation umgekehrt, wenn ein High-Signal an den ADDRESS-Eingang gegeben wird. Das bedeutet, dass alle an die Schaltung gelieferten Informationen an AUSGANG2 angezeigt werden, da das NAND-Gatter von Q4/Q5 deaktiviert und das NAND-Gatter von Q6/Q7 aktiviert ist.
Oszillatorschaltung (Taktgenerator)
Unsere nächste Transistor-Logikgatter-Anwendung, dargestellt in Abb. 8, ist ein grundlegender Taktgenerator (auch bekannt als Oszillator), der aus drei gewöhnlichen NICHT-Gate-Invertern besteht (von denen einer unter Verwendung eines Rückkopplungswiderstands R2 vorgespannt wird, der ihn einsetzt der analogen Region).
Um den Ausgang zu quadrieren, ist ein drittes NICHT-Gatter (Q3) enthalten, das das Komplement zum Oszillatorausgang liefert. Der C1-Wert könnte erhöht oder verringert werden, um die Betriebsfrequenz der Schaltung zu ändern. Die Ausgangswellenform hat eine Frequenz von etwa 7 kHz mit V+ bei 1,5 Volt DC unter Verwendung der angegebenen Komponentenwerte.
RS Latch-Schaltung
Abb. 9 zeigt unsere letzte Anwendungsschaltung, ein RS-Latch, das aus zwei NOR-Gattern besteht. Um eine gesunde Ausgangsansteuerung an den Q- und Q-Ausgängen zu gewährleisten, werden die Widerstände R3 und R4 auf 1 kOhm eingestellt.
Die Wahrheitstabelle des RS-Latches wird neben dem schematischen Design angezeigt. Dies sind nur einige Beispiele für die verschiedenen vertrauenswürdigen, digitalen Niederspannungs-Logikgatterschaltungen, die unter Verwendung einzelner Transistoren erstellt werden können.
Schaltungen mit Transistorlogik benötigen zu viele Teile
Viele Probleme können unter Verwendung all dieser transistorisierten Niederspannungs-Logikschaltungen gelöst werden. Der Einsatz von zu vielen dieser transistorisierten Gates könnte jedoch zu neuen Problemen führen.
Die Anzahl der Transistoren und Widerstände kann ziemlich groß werden, wenn die von Ihnen erstellte Anwendung eine große Anzahl von Gattern enthält, die wertvollen Platz beanspruchen.
Die Verwendung von Transistorarrays (viele in Kunststoff eingeschlossene Transistoren) und SIP-Widerständen (Single Inline Package) anstelle einzelner Einheiten ist eine Möglichkeit, dieses Problem zu lösen.
Der obige Ansatz kann eine Tonne Platz auf einer Leiterplatte einsparen, während die Leistung gleich der ihrer Äquivalente in voller Größe bleibt. Transistor-Arrays werden in oberflächenmontierter, 14-poliger Durchsteck- und Quad-Pack-Verpackung angeboten.
Für die meisten Schaltungen können Mischtransistortypen durchaus akzeptabel sein.
Dennoch ist es ratsam, dass der Experimentator mit einem einzigen Transistortyp zum Aufbau der transistorisierten Logikschaltungen arbeitet (d. h. wenn Sie einen Abschnitt eines Gatters mit BC547 erstellen, versuchen Sie, denselben BJT auch für die Herstellung der anderen verbleibenden Gatter zu verwenden).
Die Begründung ist, dass verschiedene Transistorvarianten etwas unterschiedliche Eigenschaften haben und sich daher unterschiedlich verhalten könnten.
Zum Beispiel könnte bei einigen Transistoren die Einschaltgrenze der Basis größer oder kleiner sein als bei einem anderen, oder man könnte eine etwas höhere oder niedrigere Gesamtstromverstärkung haben.
Andererseits könnten die Kosten für den Kauf einer Bulk-Box eines einzelnen Transistortyps auch niedriger sein. Die Leistung Ihrer Schaltungen wird verbessert, wenn Ihre Logikgatter mit passenden Transistoren gebaut werden, und das Projekt in seiner Gesamtheit wird letztendlich lohnender sein.
