И не на транзисторах. Транзисторная логика: базовые элементы и принципы работы

Как устроены базовые логические элементы на транзисторах. Какие бывают типы транзисторной логики. Чем отличаются ТТЛ, ТТЛШ, КМОП и другие технологии. Как реализуются основные логические операции на транзисторах.

Основные типы транзисторной логики

Транзисторная логика лежит в основе работы всех современных цифровых устройств. Существует несколько основных типов транзисторной логики:

• Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ)
• Транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки (ТТЛШ)
• Эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ)
• Логика на МОП-транзисторах (nМОП, pМОП)
• Комплементарная МОП-логика (КМОП)
• Интегральная инжекционная логика (И2Л)

Каждый тип имеет свои особенности и области применения. Рассмотрим подробнее устройство и принцип работы основных логических элементов различных типов транзисторной логики.

Базовые логические элементы ТТЛ

Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ) использует биполярные транзисторы. Ее отличительная особенность — применение многоэмиттерных транзисторов на входе логических элементов.

Как работает базовый элемент И-НЕ ТТЛ?

Базовый элемент ТТЛ реализует логическую функцию И-НЕ. Его упрощенная схема показана на рисунке:

[Схема базового элемента ТТЛ]

Принцип работы следующий:

• Если хотя бы на один вход подан низкий уровень, многоэмиттерный транзистор открыт, а следующий за ним транзистор закрыт. На выходе высокий уровень.
• Если на все входы подан высокий уровень, многоэмиттерный транзистор закрыт, а следующий открыт. На выходе низкий уровень.

Таким образом реализуется функция И-НЕ: выход имеет низкий уровень только когда на всех входах высокий уровень.

Особенности ТТЛШ логики

ТТЛШ (транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки) является усовершенствованным вариантом ТТЛ. Ее ключевые особенности:

• Использование транзисторов Шоттки вместо обычных биполярных
• Более высокое быстродействие по сравнению с ТТЛ
• Меньшая потребляемая мощность
• Совместимость по логическим уровням с ТТЛ

Базовый элемент ТТЛШ

Схема базового элемента И-НЕ ТТЛШ показана на рисунке:

[Схема базового элемента ТТЛШ]

Ключевое отличие от ТТЛ — применение транзисторов Шоттки, которые не входят в режим насыщения. Это позволяет повысить быстродействие.

Логика на МОП-транзисторах

МОП-логика использует полевые транзисторы вместо биполярных. Существует nМОП и pМОП логика на транзисторах соответствующего типа проводимости канала.

Как работает элемент ИЛИ-НЕ nМОП?

Рассмотрим принцип работы элемента ИЛИ-НЕ на nМОП транзисторах:

[Схема элемента ИЛИ-НЕ nМОП]

• Если на обоих входах низкий уровень, все транзисторы закрыты, на выходе высокий уровень
• Если хотя бы на одном входе высокий уровень, соответствующий транзистор открывается, на выходе низкий уровень

Так реализуется функция ИЛИ-НЕ: выход имеет низкий уровень, если хотя бы на одном входе высокий уровень.

Особенности КМОП логики

КМОП (комплементарная МОП) логика использует комплементарные пары МОП-транзисторов. Ее ключевые преимущества:

• Очень низкое энергопотребление в статическом режиме
• Высокая помехоустойчивость
• Широкий диапазон напряжений питания
• Простота изготовления

Базовый элемент КМОП

Рассмотрим работу КМОП элемента ИЛИ-НЕ:

[Схема элемента ИЛИ-НЕ КМОП]

Принцип работы:

• Если на обоих входах низкий уровень, верхние p-канальные транзисторы открыты, нижние n-канальные закрыты. На выходе высокий уровень.
• Если хотя бы на одном входе высокий уровень, открывается соответствующий нижний транзистор, а верхний закрывается. На выходе низкий уровень.

Важная особенность — в статическом состоянии всегда закрыт один из транзисторов пары, что обеспечивает очень низкое энергопотребление.

Сравнение различных типов транзисторной логики

Каждый тип транзисторной логики имеет свои преимущества и недостатки:

Применение транзисторной логики

Транзисторная логика находит широкое применение в современной электронике:

• Процессоры и микроконтроллеры
• Оперативная и постоянная память
• Программируемые логические интегральные схемы
• Цифровые схемы управления
• Интерфейсные микросхемы

Выбор конкретного типа логики зависит от требований к быстродействию, энергопотреблению, помехоустойчивости и других параметров разрабатываемого устройства.

Заключение

Транзисторная логика является фундаментом современной цифровой электроники. Понимание принципов работы базовых логических элементов на транзисторах необходимо для разработки и отладки цифровых устройств. Каждый тип транзисторной логики имеет свои особенности и области применения. Развитие технологий приводит к появлению новых типов логики, сочетающих преимущества существующих подходов.

Базовые элементы

3.Структура и принцип работы базовых электронных элементов

Все многообразие устройств ЭВМ базируется на ограниченном наборе типовых электронных элементов. Поэтому принцип действия даже сверхсложного компьютера легко понять, если предварительно разобраться в структуре и принципе работы базовых электронных элементов, к которым относятся инвертор (ключ), вентиль и триггер.

Если на входы Вх1 и Вх2 поданы сигналы низкого уровня (логические «0»), то оба транзистора закрыты, ток через них не проходит, выходное напряжение на Rн близко к 0. Пусть на один из входов подано напряжение высокого уровня (логическая «1»). Тогда соответствующий транзистор откроется, однако другой останется закрытым, и ток через транзисторы и сопротивление нагрузки Rн по-прежнему не будет проходить. Следовательно, при подаче напряжения высокого уровня лишь на один из транзисторов схема не переключается и на выходе остается напряжение низкого уровня. И лишь при одновременной подаче на входы сигналов высокого уровня (логических «1») на выходе мы также получим сигнал высокого уровня: открытые транзисторы практически не оказывают сопротивление току, все напряжение падает на сопротивлении нагрузки, потенциал вывода Вых становится высоким.

Показано («Бинарная логика, законы алгебры логики»), что любая сколь угодно сложная логическая функция может быть разложена на комбинацию элементарных логических функций «НЕ», «И» и «ИЛИ», так что из инвертора и соответствующих вентилей можно построить электронную логическую схему, выполняющую любое запланированное действие. Там же показано, что вместо трёх вышеперечисленных логических функций, можно использовать всего лишь одну комбинированную логическую функцию «И-НЕ» или «ИЛИ-НЕ». Эти логические элементы получаются из «И» и «ИЛИ» путём переноса сопротивления нагрузки Rн из эмиттерной цепи в коллекторную (как в схеме инвертора).

Триггер.Триггером называется электронное устройство с двумя устойчивыми состояниями, одно из которых характеризуется высоким (логическая «1»), а второе низким (логический «0») уровнем выходного сигнала. Триггер состоит из двух вентилей. На рис. 6,а показан триггер, составленный из двух вентилей «ИЛИ-НЕ» (точно так же для этой цели используются и вентили «И-НЕ»), а на рис 6,б – его условное обозначение. (Анимацию можно запустить, если нажать правую клавишу мыши на рисунке и выбрать команду «Воспроизвести».)

Рассмотрим работу этой схемы. Пусть в начальный момент времени входы R, S и выход Q имеют низкий логический уровень. Для переключения триггера в состояние Q=1 необходимо на вход S подать «1».На входе соответствующего вентиля будут действовать входные логические сигналы: «0»(с выхода Q) и «1» (со входа S). На его выходе возникает инвертированная «1»,т. е. «0». Следовательно, через некоторое время Dt

Регистр. Из триггеров (они бывают и других типов, отличных от рассмотренного) строятся многие элементы ЭВМ, например регистры. Они предназначены для приема, временного хранения и передачи информации в двоичном коде. Каждый триггер регистра используется для ввода, хранения и вывода одного разряда двоичного числа. Регистр, предназначенный для хранения информации, называют накопительным. Существуют также сдвигающие регистры, в которых двоичную информацию можно перемещать поразрядно влево и вправо, а также счетные регистры, предназначенные для преобразования десятичных чисел в двоичные и обратно. На основе базовых элементов строятся различные микросхемы ЭВМ, например, процессор, память, сумматор, дешифратор, мультиплексор и др.

Назад   На главную

Как сложить два числа с помощью транзисторов

Что мы уже знаем о транзисторах:

1. Это устройство, похожее на кран, только для электричества, и он либо пропускает сквозь себя ток, либо не пропускает.
2. Если такие «краны» правильно соединить, то можно создать иллюзию полезной для человека работы — например, суммирования.
3. На транзисторах основаны все современные компьютерные вычисления. Современные транзисторы очень маленькие — в буквальном смысле микроскопические. Они соединены сложным образом внутри всех наших процессоров, контроллеров и даже памяти.
4. Транзисторы сами по себе ничего не понимают. Они просто перемешивают электричество. Но если их правильно соединить и их будет много, от этого перемешивания получится значительная польза, от автоматических и очень быстрых математических операций до современных компьютеров.

В этой статье разберём, как же именно соединены транзисторы, чтобы уметь так хорошо считать. Для этого нужно сначала понять транзисторную логику, после чего станет очевидно, как устроена транзисторная математика.

Нам потребуется вспомнить эту картинку, которая обозначает принцип действия транзистора:

Тут ток течёт слева направо. На транзистор подаётся управляющий ток, который этот транзистор «открывает», и ток течёт. Если управляющий ток выключить, то транзистор «закроется», движение тока остановится.

Транзисторная логика

У транзисторов есть три принципиальных способа соединения, которые соответствуют трём базовым логическим операциям. Если понимать эти способы и логику, вы поймёте архитектуру всего компьютерного мира. Запоминать и учить её не надо, достаточно просто увидеть.

Основных логических операций всего три: И, ИЛИ, НЕ. Все остальные получаются из их комбинаций, поэтому нам достаточно понять, как работают эти. Можно представить, что мы через транзисторы хотим включить лампочку в комнате и у нас есть выключатель на стене.

Операция «НЕ»

Самая простая операция: она меняет значение на противоположное. Так как в компьютерах и транзисторах на базовом уровне существуют только понятия «есть ток» и «нет тока», то тут будет очевидно, что противоположно чему:

НЕ (есть ток) = нет тока

НЕ (нет тока) = есть ток

Эту же запись можно представить так:

НЕ (1) = 0

НЕ (0) = 1

В терминах нашей комнаты с лампочкой это звучит так: «Если выключатель выключен, то лампочка должна гореть». Схема подключения такая:

Инженеры договорились обозначать такую схему вот такой фигурой. Она означает «Логическая операция НЕ»:

Операция «И»

Здесь уже участвуют два параметра, причём результат равен 1 только тогда, когда оба параметра — 1.

0 И 0 = 0

1 И 0 = 0

0 И 1 = 0

1 И 1 = 1

Только в последнем случае у нас получилась единица, потому что оба параметра — единицы. Как только хотя бы один из параметров — ноль, то всё выражение становится равно 0.

Это то же самое, как если бы у нас в комнате было два выключателя, а лампочка загоралась бы только тогда, когда включены оба.

На схемах такой логический элемент обозначается так, два входа и один выход:

Операция «ИЛИ»

Тоже работает с двумя параметрами, но по другим правилам: если хотя бы одна единица есть, результат тоже будет единицей.

0 ИЛИ 0 = 0

1 ИЛИ 0 = 1

0 ИЛИ 1 = 1

1 ИЛИ 1 = 1

Эта операция смотрит, есть ли хоть одна единица, одна или вторая, или вообще обе, и если находит её — сразу тоже становится единицей.

В терминах комнаты с лампочкой: чтобы лампочка загорелась, должен быть включён хотя бы один выключатель.

На схемах такой логический элемент обозначается так:

Вся логика и вычислительная мощь всех процессоров мира построена на этих трёх логических кубиках. Исключение — квантовые процессоры, но они устроены внутри совсем по-другому.

Что дальше

Комбинируя эти три логические схемы (там есть ещё четвёртая, она делается из трёх основных), мы сможем собрать такой каскад транзисторов, который поможет нам складывать числа. Забегая немного вперёд, вот каскад, который способен сложить два числа, если эти числа — единицы или ноли:

Этот каскад может сложить число размером 1 бит (единица или ноль). Его возможные результаты:

00 — ноль

01 — единица

10 — двойка в двоичном счислении

Если такой каскад «схлопнуть» до одной коробочки (и немного допилить), а потом соединить между собой несколько коробочек, можно складывать более сложные числа. Например, такой каскад сложит два числа до 4 бит, от 0 до 15:

Что мы узнали на этом этапе.

1. Транзисторы можно соединять по-разному: по цепочке, параллельно, как-то ещё хитро.
2. В зависимости от схемы соединения эта конструкция из транзисторов будет давать разные результаты. Например, лампочка будет гореть при выключенном выключателе. Или будет гореть, когда включён хотя бы один. Или когда включены оба.
3. Эти схемы соединений помогают воспроизвести простые логические операции: НЕ, И, ИЛИ.
4. Из этих логических операций можно собрать простейший сумматор единицы и ноля.
5. Из простейшего сумматора можно каскадом собрать более сложный, например, для чисел от 0 до 15.
6. А дальше просто наслаиваешь эти сумматоры друг на друга, соединяешь разными хитрыми образами, и у тебя получается всё более и более сложная вычислительная машина.

Кому нужны эти транзисторы? Тем, кто будет управлять миром

В будущем останется две профессии: программист и массажист для его утомленной шеи. Если у вас сильные руки и хорошая выносливость, пролистывайте. Если нет — вот билет в профессию будущего.

НОУ ИНТУИТ | Лекция | Реализация логических элементов

Аннотация: Рассматривается различные технологии реализации логических элементов.

Логические элементы транзисторно-транзисторной логики

Схемы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) базируются на биполярных транзисторах npn-структуры. Базовым элементом (рис. 16.1) данной технологии является схема И-НЕ. Логическое умножение осуществляется за счет свойств многоэмиттерного транзистора VT1 [1]. При подаче хотя бы одного логического нуля на эмиттеры этого транзистора замыкается цепь: +5 В, сопротивление R1, переход база-эмиттер, земля на входе. При этом транзисторы VT2 и VT3 остаются закрытыми. Поэтому выходная цепь не замкнута, падения напряжения в ней нет, следовательно, в точке F на выходе схемы будет потенциал источника питания, т.е. логическая единица. Выполняется правило И-НЕ [2]: при подаче хотя бы одного нуля на выходе схемы получили логическую единицу.

При подаче логической единицы на все входы схемы замыкается цепь: +5 В, сопротивление R2, транзистор VT2, сопротивление R3 , земля. Следовательно, на базу выходного транзистора VT3 подается потенциал, достаточный для его открытия (соответствует падению напряжения на сопротивлении R3). Через открытый транзистор VT3 замыкается буферная цепь: +5 В, сопротивление R4, транзистор VT3, земля. Следовательно, на выходе F будет потенциал, соответствующий падению напряжения на открытом транзисторе VT3, т.е. 0.4 В. Таким образом, F=0.

На рис. 16.2 представлен логический элемент ИЛИ-НЕ. Логическое сложение осуществляется за счет монтажного соединения транзисторов VT3 и VT4. Замыкание буферной цепи (состояние F=0 ) в этом случае возможно при замыкании хотя бы одной из цепей, проходящих через сопротивления R2 и R3. Эти цепи замыкаются в том случае, если на входы подается хотя бы одна логическая единица. Таким образом, выполняется правило ИЛИ-НЕ [2]: при подаче хотя бы одной единицы на выходе схемы получим логический ноль.

При замене в схеме И-НЕ многоэмиттерного транзистора VT1 на одноэмиттерный получается инвертор (рис. 16.3).

Буферная часть схем логических элементов ТТЛ-технологии может быть реализована по-разному. В частности, резистор в буферной части может быть вынесен за пределы интегральной схемы, при этом существенно уменьшаются потери и нагрев кристалла. Такие схемы называются схемами «с открытым коллектором «. Пример такой схемы приведен на рис. 16.4.

В схемах с активной нагрузкой (рис. 16.5) состояние буферной цепи определяется состоянием не одного, а двух транзисторов.

Буферные схемы на три состояния (первые два – логический 0 и логическая 1 ) имеют помимо информационных, разрешающий вход Е (рис. 16.6). При Е=1 диод VD2 подключен на обратное напряжение, поэтому дополнительная цепь, включающая в себя диод VD2 и вход Е, разомкнута и не влияет на работу логического элемента. Таким образом, осуществляется «разрешение» работы элемента. При отсутствии такового разрешения Е=0. Диод VD2 оказывается подключенным на прямое напряжение, замыкается цепь + 5 В, сопротивление R2, открытый диод VD2, земля на входе E. Следовательно, на базу транзистора VT3 в буферной части схемы подается потенциал, соответствующий падению напряжения на открытом диоде, т.е. 0.2 В. При таких условиях данный транзистор закрыт, поэтому выход F оказывается отключенным от источника питания. Кроме того, независимо от состояния информационных входов A и B, замкнется входная цепь +5 В, сопротивление R1, переход база-эмиттер транзистора VT1, земля на входе E. Поэтому, как было описано выше, транзисторы VT2 и VT4 будут закрыты. Вследствие закрытия VT4 выход F будет отключен также и от земли. Таким образом, схема будет не в нулевом и не в единичном, а в «третьем» состоянии, которое называется состоянием высокого сопротивления, Z-состоянием, высокоимпедансным состоянием. Все перечисленные термины обозначают одно и то же: выход схемы отключен и от источника питания, и от земли.

Логические элементы nМОП-технологии

Схемы nМОП-технологии базируются на полевых (МОП) транзисторах с индуцированным каналом n-типа. Базовым элементом (рис. П16.7) данной технологии является схема И-НЕ. Логическое умножение осуществляется за счет последовательного соединения каналов транзисторов VT1 и VT2. Канал между истоком и стоком в nМОП-транзисторе индуцируется в том случае, когда на затвор (вход схемы) подается положительный относительно подложки потенциал. Цепь от +5 В до земли замкнется только в одном случае, когда A=B=1, поскольку в этом случае оба транзистора открываются и образуется единый канал, замыкающий цепь.

Функция ИЛИ-НЕ осуществляется за счет параллельного соединения таких транзисторов (рис. 16.8): при подаче хотя бы на один вход единицы индуцируется канал в соответствующем транзисторе и замыкается цепь от +5 В до земли. Следовательно, на выходе будет потенциал, соответствующий падению напряжения в канале транзистора, т.е. 0,2 В, при этом F=0.

Схема инвертора (рис. 16.9) строится на базе одного транзистора.

Элементы транзисторных логик: схемы, ТТЛ, ТТЛШ, КМОП

Для конкретной серии микросхем характерно использование типового электронного узла — базового логического элемента. Этот элемент является основой построения самых разнообразных цифровых электронных устройств.

Ниже рассмотрим особенности базовых логических элементов различных логик.

Элементы транзисторно-транзисторной логики

Характерной особенностью ТТЛ является использование многоэмиттерных транзисторов. Эти транзисторы сконструированы таким образом, что отдельные эмиттеры не оказывают влияния друг на друга. Каждому эмиттеру соответствует свой p-n-переход. В первом приближении многоэмиттерный транзисторможет моделироваться схемой на диодах (см. пунктир на рис. 3.27).

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Упрощенная схема ТТЛ-элемента приведена на рис. 3.27. При мысленной замене многоэмиттерного транзистора диодами получаем элемент диодно-транзисторной логики «И-НЕ». Из анализа схемы можно сделать вывод, что если на один из входов или на оба входа подать низкий уровень напряжения, то ток базы транзистора Т2 будет равен нулю, и на коллекторе транзистора Т2 будет высокий уровень напряжения.

Если на оба входа подать высокий уровень напряжения, то через базу Т₂ транзистора будет протекать большой базовый ток и на коллекторе транзистора Т₂ будет низкий уровень напряжения, т. е. данный элемент реализует функцию И-НЕ:

u_вых= u₁· u₂. Базовый элемент ТТЛ содержит многоэмиттерный транзистор, выполняющий логическую операцию И, и сложный инвертор (рис. 3.28).
Если на один или оба входа одновременно подан низкий уровень напряжения, то многоэмиттерный транзистор находится в состоянии насыщения и транзистор Т₂ закрыт, а следовательно, закрыт и транзистор Т₄, т. е. на выходе будет высокий уровень напряжения.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Если на обоих входах одновременно действует высокий уровень напряжения, то транзистор Т2 открывается и входит в режим насыщения, что приводит к открытию и насыщению транзистора Т4 и запиранию транзистора Т3, т. е. реализуется функция И-НЕ.

Для увеличения быстродействия элементов ТТЛ используются транзисторы с диодами Шоттки (транзисторы Шоттки).

Логические элементы ТТЛШ (на примере серии К555)

В качестве базового элемента серии микросхем К555 использован элемент И-НЕ. На рис. 3.29, а изображена схема этого элемента, а условное графическое обозначение транзистора Шоттки приведено на рис. 3.29, б.
Такой транзистор эквивалентен рассмотренной выше паре из обычного транзистора и диода Шоттки. ТранзисторVT₄ — обычный биполярный транзистор.

Если оба входных напряжения u_вх1и u_вх2 имеют высокий уровень, то диодыVD₃ и VD₄ закрыты, транзисторы VT₁,VT₅ открыты и на выходе имеет место напряжение низкого уровня. Если хотя бы на одном входе имеется напряжение низкого уровня, то транзисторы VT₁ и VT₅ закрыты, а транзисторы VT₃ и VT₄ открыты, и на входе имеет место напряжение низкого уровня. Полезно отметить, что транзисторы VT₃ и VT₄ образуют так называемый составной транзистор (схему Дарлингтона).

Микросхемы ТТЛШ

Микросхемы ТТЛШ серии К555 характеризуются следующими параметрами:

• напряжение питания +5 В;
• выходное напряжение низкого уровня — не более 0,4 В;
• выходное напряжение высокого уровня — не менее 2,5 В;
• помехоустойчивость — не менее 0,3 В;
• среднее время задержки распространения сигнала — 20 нс;
• максимальная рабочая частота — 25 МГц.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Микросхемы ТТЛШ обычно совместимы по логическим уровням, помехоустойчивости и напряжению питания с микросхемами ТТЛ. Время задержки распространения сигнала элементов ТТЛШ в среднем в два раза меньше по сравнению с аналогичными элементами ТТЛ.

Особенности других логик

Основой базового логического элемента ЭСЛ является токовый ключ. Схема токового ключа (рис. 3.30) подобна схеме дифференциального усилителя.
Необходимо обратить внимание на то, что микросхемы ЭСЛ питаются отрицательным напряжением (к примеру, −4,5 В для серии К1500). На базу транзистора VT₂ подано отрицательное постоянное опорное напряжение U_оп. Изменение входного напряжения u_вх1 приводит к перераспределению постоянного тока i_э0, заданного сопротивлением R_э между транзисторами, что имеет следствием изменение напряжений на их коллекторах.

Транзисторы не входят в режим насыщения, и это является одной из причин высокого быстродействия элементов ЭСЛ.

Микросхемы серий 100, 500 имеют следующие параметры:

• напряжение питания −5,2 В;
• потребляемая мощность — 100 мВт;
• коэффициент разветвления по выходу — 15;
• задержка распространения сигнала — 2,9 нс.

В микросхемах n-МОП и p-МОП используются ключи соответственно на МОП-транзисторах с n-каналом и динамической нагрузкой (рассмотрены выше) и на МОП-транзисторах с p-каналом.

В качестве примера рассмотрим элемент логики n-МОП, реализующий функцию ИЛИ-НЕ (рис. 3.31).

Он состоит из нагрузочного транзистора Т₃ и двух управляющих транзисторов Т₁ и Т₂. Если оба транзистора Т₁ и Т₂ закрыты, то на выходе устанавливается высокий уровень напряжения. Если одно или оба напряжения u₁и u₂ имеют высокий уровень, то открывается один или оба транзистора Т₁ и Т₂ и на выходе устанавливается низкий уровень напряжения, т. е. реализуется функция u_вых= u₁ + u_2.

Для исключения потребления мощности логическим элементом в статическом состоянии используются комплементарные МДП — логические элементы (КМДП или КМОП-логика). В микросхемах КМОП используются комплементарные ключи на МОП-транзисторах. Они отличаются высокой помехоустойчивостью. Логика КМОП является очень перспективной. Рассмотренный ранее комплементарный ключ фактически является элементом НЕ (инвертором).

КМОП — логический элемент

Рассмотрим КМОП — логический элемент, реализующий функцию ИЛИ-НЕ (рис. 3.32).

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Если входные напряжения имеют низкие уровни (u1и u2меньше порогового напряжения n-МОП-транзистора Uзи.порог.n), то транзисторы Т1 и Т2 закрыты, транзисторы Т3 и Т4 открыты и выходное напряжение имеет высокий уровень.

Если одно или оба входных напряжения u₁и u₂ имеют высокий уровень, превышающий U_{зи.порог.n}, то открывается один или оба транзистора Т₁ и Т₂, а между истоком и затвором одного или обоих транзисторов Т₃ и Т₄ устанавливается низкое напряжение, что приводит к запиранию одного или обоих транзисторов Т₃ и Т₄, а следовательно, на выходе устанавливается низкое напряжение.

Таким образом, этот элемент реализует функцию u_вых= u₁+u₂ и потребляет мощность от источника питания лишь в короткие промежутки времени, когда происходит его переключение.

Интегральная инжекционная логика (ИИЛ или И²Л) построена на использовании биполярных транзисторов и применении оригинальных схемотехнических и технологических решений. Для нее характерно очень экономичное использование площади кристалла полупроводника. Элементы И²Л могут быть реализованы только в интегральном исполнении и не имеют аналогов в дискретной схемотехнике. Структура такого элемента и его эквивалентная схема приведены на рис. 3.33, из которого видно, что транзистор T₁ (p-n-p) расположен горизонтально, а многоколлекторный транзистор Т₂ (n-p n) расположен вертикально. Транзистор T₁ выполняет роль инжектора, обеспечивающего поступление дырок из эмиттера транзистора T₁ (при подаче на него положительного напряжения через ограничивающий резистор) в базу транзистора Т₂.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Если u1 соответствует логическому «0», то инжекционный ток не протекает по базе многоколлекторного транзистора Т2 и токи в цепях коллекторов транзистора Т2 не протекают, т. е. на выходах транзистора Т2 устанавливаются логические «1». При напряжении u1 соответствующем логической «1», инжекционный ток протекает по базе транзистора Т2 и на выходах транзистора Т2 — логические нули.

Рассмотрим реализацию элемента ИЛИ-НЕ на основе элемента, представленного на рис. 3.34 (для упрощения другие коллекторы многоколлекторных транзисторов Т₃ и Т₄ на рисунке не показаны). Когда на один или оба входа подается логический сигнал «1», то напряжение u_вых соответствует логическому нулю. Если на обоих входах логические сигналы «0», то напряжение u_вых соответствует логической единице.
Логика на основе полупроводника из арсенида галлия GaAs характеризуется наиболее высоким быстродействием, что является следствием высокой подвижности электронов (в 3…6 раз больше по сравнению с кремнием). Микросхемы на основе GaAs могут работать на частотах порядка 10 ГГц и более.

Использование свойств закрытого биполярного транзистора в полосовых усилителях и модуляторах

%PDF-1.6 % 1 0 obj > endobj 5 0 obj /Title >> endobj 2 0 obj > endobj 3 0 obj > endobj 4 0 obj > stream

МОДЕЛИРОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ В MOSFET-КЛЮЧАХ | Бабенко

1. Дьяконов В.П., Максимчук А.А., Ремнев А.М., Смердов В.Ю. Энциклопедия устройств на полевых транзисторах. М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2009. 512 с.

2. Семенов Б.Ю. Силовая электроника: профессиональные решения. М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2011. 416 с.

3. Дьяконов В.П. Физическое моделирование схем на полевых транзисторах в Simulink и SimElectronics // Компоненты и технологии. 2011. № 11. С. 162-171.

4. Зиновьев Г.С. Силовая электроника: Учебное пособие для бакалавров. М.: Юрайт, 2012. 671 с.

5. Бабенко В.П., Битюков В.К. Особенности моделирования MOSFET-ключей в ELECTRONICS WORKBENCH // Учебный эксперимент в образовании. 2017. № 3 (83). С. 76-88.

6. Бабенко В.П., Битюков В.К. Методические особенности компьютерного моделирования ШИМ-контроллеров // учебный эксперимент в образовании. 2015. № 2 (74). С. 60-74.

7. Бабенко В.П., Битюков В.К. Особенности моделирования драйвера двигателя в системе Electronics Workbench // Учебный эксперимент в образовании. 2015. № 4 (76). С. 60-75.

8. Битюков В.К., Симачков Д.С. Источники вторичного электропитания: Учебник. М.: Инфра-Инженерия, 2017. 326 с.

9. Бабенко В.П., Битюков В.К., Симачков Д.С. Схемотехническое моделирование DC/ DC преобразователей // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2016. Т. 14. № 11.С. 69-82.

10. Бабенко В.П., Битюков В.К. Измерение заряда затвора для ключей на мощных MOSFET транзисторах // В сб.: Современные проблемы профессионального образования: опыт и пути решения. Материалы второй Всерос. научно-практ. конф. с междунар. участием. Иркутск, 2017. С. 37-41.

11. Бабенко В.П., Битюков В.К. Методические особенности разработки модели электродвигателя в системе EWB // Российский технологический журнал. 2015. № 2 (7). С. 53-66.

12. Lakkas G. MOSFET power losses and how they affect power-supply efficiency // Texas Instruments, Analog Applications Journal. 1Q. 2016. Р. 22-28. http://www.ti.com/lit/an/slyt664/slyt664.pdf

13. Laszlo Balogh. Fundamentals of MOSFET and IGBT Gate Driver Circuits Texas Instruments. Application Report SLUA618.March 2017.RevisedSLUP169April 2002. 47 с. http://www.ti.com/lit/ml/slua618/slua618.pdf

14. Ремнев А.М., Смердов В.Ю. Анализ силовых ключей импульсных источников питания // Схемотехника. 2001. № 6. С. 8-16.

15. Болтовский Ю., Тоназлы Г. Некоторые вопросы моделирования систем силовой электроники // Силовая электроника. 2006. № 4. С. 78-83.

16. Бабенко В.П., Битюков В.К., Симачков Д.С. Схемотехническое моделирование устройства контроля положения привода в пространстве // Электромагнитные волны и электронные системы. 2016. Т. 21. № 4. С. 11-19.

17. Битюков В.К., Власюк Ю.А., Петров В.А., Федоров Е.И. Лабораторный практикум по дисциплине «Физические основы преобразовательной техники». М.: МИРЭА, 2003. 155 с.

18. Конюшенко И. Основы устройства и применения силовых МОП-транзисторов (MOSFET) // Силовая электроника. 2011. № 2. С. 10-14.

19. Бабенко В.П., Битюков В.К. Методические особенности моделирования привода в системе EWB // В сб.: Фундаментальные и прикладные проблемы физики: сб. научных трудов по материалам IX Междунар. научно-техн. конф. Саранск. 2015. С. 301-307.

20. Белоус А.И., Ефименко С.А., Турцевич А.С. Полупроводниковая силовая электроника. М.: Техносфера, 2013. 216 с.

Электросестры

Истории девяти первооткрывательниц экспериментальной электроники, расказанные Лори Андерсон

«Невозможно играть на воздухе молотком. Здесь нужны крылья бабочки», — это слова укротительницы терменвокса Клары Рокмор, первой в истории исполнительницы, вышедшей на сцену Нью-Йоркской филармонии с электронным инструментом. Крылья бабочки в Нью-Йорке, сирена воздушной тревоги в Лондоне, шум взлетающих самолетов в аэропорту Ниццы — героини этого фильма, женщины, стоявшие у истоков авангардной электроники, вдохновлялись звуком в любых его проявлениях и искали в новых технологиях свободы от мужского мира академической музыки, где бы им всегда пришлось быть на вторых ролях. При этом они долго оставались неизвестны широкой публике: в 1960-х мир восхищался музыкальной темой к сериалу «Доктор Кто», но не знал, что ее написала выпускница Кембриджа и резидентка лаборатории The BBC Radiophonic Workshop Делия Дербишир. Завораживающий пшик открывающейся бутылки колы из рекламы конца 1970-х стал классическим для роликов компании, но кто помнит, что автор этого и многих других популярных джинглов — подруга изобретателя синтезаторов Дона Буклы и основательница собственной саунд-дизайнерской компании Сьюзен Чиани. Марианна Амахер училась у Штокхаузена и работала с Джоном Кейджем и Мерсом Каннингемом — но вы вряд ли слышали ее имя. И так далее.

Режиссерский дебют Лизы Ровнер, закадровый текст в котором читает продолжательница дела его героинь, американская певица и композитор Лори Андерсон, — это не только великолепная работа с архивами, редкие интервью, фотографии, записи концертов и студийных экспериментов, не только возможность подглядеть и подслушать как рождалась, пожалуй, самая изобретательная музыка второй половины XX века, и не просто попытка вывести фигуры «крестных мам» электроники из тени и дать им (некоторым — посмертно) заслуженное признание, но и вдохновляющая история эмансипации, личного освобождения женщин через творчество.

Кристина Сарханянц

Logic NOT Gate с таблицей истинности Logic NOT Gate

Инвертирующие вентили НЕ — это устройства с одним входом, у которых выходной уровень обычно находится на логическом уровне «1» и переходит от «НИЗКИЙ» к логическому уровню «0», когда его единственный вход находится на логическом уровне «1», другими словами, он «Инвертирует» (дополняет) свой входной сигнал. Выходной сигнал логического элемента NOT снова возвращает «HIGH» только тогда, когда его вход находится на логическом уровне «0», что дает нам логическое выражение: A = Q.

Тогда мы можем определить работу логического элемента НЕ с одним входом как:

«Если A НЕ истинно, то Q истинно»

Транзистор НЕ затвор

Простой логический элемент НЕ с двумя входами может быть построен с использованием резистивно-транзисторных переключателей RTL, как показано ниже, с входом, подключенным непосредственно к базе транзистора.Транзистор должен быть насыщен «ВКЛ» для инвертированного выхода «ВЫКЛ» на Q.

Логическое НЕ В шлюзах используются цифровые схемы для выполнения желаемой логической функции. Стандартному элементу НЕ дается символ, имеющий форму треугольника, указывающего вправо, с кружком на конце. Этот круг известен как «инверсионный пузырь» и используется в символах НЕ, НЕ И И НЕ ИЛИ на их выходе для представления логической операции функции НЕ.Этот пузырек обозначает инверсию сигнала (дополнение) сигнала и может присутствовать на любом или обоих выходных и / или входных клеммах.

Таблица истинности логических НЕ ворот

обеспечивают дополнение своего входного сигнала и называются так потому, что, когда их входной сигнал «ВЫСОКИЙ», их выходное состояние будет НЕ, будет «ВЫСОКОЕ».Аналогично, когда их входной сигнал «НИЗКИЙ», их выходное состояние будет НЕ, будет «НИЗКОМ». Поскольку они являются устройствами с одним входом, логические элементы НЕ обычно классифицируются как устройства принятия «решений» или даже как вентили, такие как элементы И или ИЛИ, которые имеют два или более логических входа. Коммерчески доступные ИС с затворами НЕ доступны с 4 или 6 отдельными затворами в одном корпусе ИС.

«Пузырь» (o), присутствующий в конце символа затвора НЕ выше, обозначает инверсию (дополнение) выходного сигнала.Но этот пузырь также может присутствовать на входе затвора, чтобы указать на вход active-LOW . Эта инверсия входного сигнала не ограничивается только вентилем НЕ, но может использоваться в любой цифровой схеме или вентиле, как показано, при этом операция инверсии точно такая же, как на входе, так и на выходе. Самый простой способ — представить пузырь просто как инвертор.

Инверсия сигнала с использованием пузырька на входе с активным низким уровнем

Пузырьковая нотация для инверсии входа

Эквиваленты вентилей NAND и NOR

Инвертор или логический элемент НЕ также может быть выполнен с использованием стандартных вентилей И-НЕ и ИЛИ-НЕ, например, соединив вместе ВСЕ их входы с общим входным сигналом.

Очень простой инвертор также может быть изготовлен с использованием только одноступенчатой ​​схемы переключения транзисторов, как показано на рисунке.

Когда на входе базы транзистора на «A» высокий уровень, транзистор проводит, и ток коллектора течет, вызывая падение напряжения на резисторе R, тем самым соединяя выходную точку «Q» с землей, что приводит к нулевому выходному напряжению на «Q». .

Аналогичным образом, когда на входе базы транзистора «A» низкий уровень (0 В), транзистор переключается в положение «ВЫКЛ», и ток коллектора не течет через резистор, что приводит к выходному напряжению на «Q» на высоком уровне при значении, близком к + Vcc. .

Тогда, при входном напряжении на «A» ВЫСОКОЕ, выход на «Q» будет НИЗКОМ, а входное напряжение на «А» НИЗКОЕ, результирующее выходное напряжение на «Q» будет ВЫСОКИМ, что приведет к дополнению или инверсии входного сигнала. .

Инверторы Шмитта с шестигранной головкой

Стандартный инвертор или Logic NOT Gate обычно состоит из схем переключения транзисторов, которые не переключаются из одного состояния в другое мгновенно, всегда будет некоторая задержка в действии переключения.

Также, поскольку транзистор является основным усилителем тока, он также может работать в линейном режиме, и любое небольшое изменение его входного уровня вызовет изменение его выходного уровня или даже может несколько раз переключаться в состояние «ВКЛ» и «ВЫКЛ», если есть присутствует ли шум в цепи. Одним из способов решения этих проблем является использование инвертора Шмитта или шестигранного инвертора .

Из предыдущих страниц мы знаем, что все цифровые вентили используют только два состояния логического напряжения и что они обычно обозначаются как Логическая «1», и Логическая «0» любое входное напряжение TTL между 2.0 В и 5 В распознаются как логическая «1», а любое входное напряжение ниже 0,8 В распознается как логический «0» соответственно.

Инвертор Шмитта предназначен для работы или переключения состояния, когда его входной сигнал превышает «верхнее пороговое напряжение» или предел UTV , и в этом случае выход изменяется и переходит в «НИЗКОЕ», и будет оставаться в этом состоянии до тех пор, пока входной сигнал падает ниже «нижнего порогового напряжения» или уровня LTV , и в этом случае выходной сигнал становится «ВЫСОКИМ».Другими словами, инвертор Шмитта имеет некоторую форму гистерезиса , встроенную в его схему переключения.

Это действие переключения между верхним и нижним пороговым пределом обеспечивает намного более чистый и быстрый выходной сигнал переключения «ВКЛ / ВЫКЛ» и делает инвертор Шмитта идеальным для переключения любого медленно нарастающего или медленно падающего входного сигнала, и поэтому мы можем использовать Триггер Шмитта для преобразования этих аналоговых сигналов в цифровые сигналы, как показано на рисунке.

Инвертор Шмитта

Очень полезное применение инверторов Шмитта — это когда они используются в качестве генераторов или преобразователей синусоидальной формы в прямоугольную для использования в качестве тактовых сигналов прямоугольной формы.

Генератор инвертора Шмитта NOT Gate

Первая схема показывает очень простой маломощный генератор RC-типа, использующий инвертор Шмитта для генерации прямоугольной выходной волны. Первоначально конденсатор C полностью разряжен, поэтому входной сигнал инвертора имеет значение «НИЗКИЙ», что приводит к инвертированному выходу «ВЫСОКИЙ». Когда выходной сигнал инвертора возвращается на его вход, а конденсатор через резистор R, конденсатор начинает заряжаться.

Когда напряжение зарядки конденсаторов достигает верхнего порогового значения инвертора, инвертор меняет состояние, на выходе становится «НИЗКИЙ», и конденсатор начинает разряжаться через резистор до тех пор, пока не достигнет нижнего порогового уровня, при котором инвертор снова изменит состояние.Это переключение инвертора назад и вперед создает выходной сигнал прямоугольной формы с коэффициентом заполнения 33%, а частота которого задается как: = 680 / RC.

Вторая схема преобразует входной синусоидальный сигнал (или любой колебательный вход, если на то пошло) в выходной сигнал прямоугольной формы. Вход инвертора подключен к соединению цепи делителя потенциала, который используется для установки точки покоя схемы. Входной конденсатор блокирует любую составляющую постоянного тока, присутствующую во входном сигнале, позволяя проходить только синусоидальному сигналу.

Когда этот сигнал проходит верхнюю и нижнюю пороговые точки инвертора, выходной сигнал также изменяется с «ВЫСОКИЙ» на «НИЗКИЙ» и так далее, образуя выходной сигнал прямоугольной формы. Эта схема генерирует выходной импульс на положительном переднем фронте входного сигнала, но, подключив второй инвертор Шмитта к выходу первого, базовая схема может быть модифицирована для создания выходного импульса на отрицательном заднем фронте входного сигнала. .

Обычно доступные логические элементы НЕ и ИС инвертора включают:

Логика TTL НЕ Гейтс

• 74LS04 Hex инвертирующий затвор
• 74LS14 Hex Schmitt Inverting NOT Gate
• 74LS1004 Шестигранный инвертирующий драйвер

CMOS Logic НЕ Gates

• CD4009 Hex инвертирующий затвор НЕ
• CD4069 Hex инвертирующий затвор НЕ

7404 НЕ вентиль или инвертор

В следующем уроке о Digital Logic Gates мы рассмотрим функцию цифрового логического логического элемента NAND, используемую в логических схемах TTL и CMOS, а также ее определение логической алгебры и таблицы истинности.

Проектирование затвора НЕ с использованием транзисторов

Интегральная схема или ИС — это комбинация множества небольших схем в небольшом корпусе, которые вместе выполняют общую задачу. Например, операционный усилитель или микросхема таймера 555 состоит из комбинации многих транзисторов, триггеров, логических вентилей и других комбинационных цифровых схем. Точно так же триггер может быть построен с использованием комбинации логических вентилей, а сами логические вентили могут быть построены с использованием нескольких транзисторов.

В каждой ИС базовым блоком будут логические элементы, выходы которых имеют высокое (1) или низкое значение (0). Эти логические элементы относятся к цифровым схемам. Существуют различные типы логических вентилей: И, ИЛИ, НЕ, НЕ-И, ИЛИ, ИЛИ, и Х-ИЛИ. Среди них И, ИЛИ, НЕ являются основными воротами, а ворота ИЛИ и И НЕ называются универсальными воротами. Хотя каждый логический вентиль доступен в виде готового к использованию пакета ИС, их также можно построить с помощью простой статьи.Мы уже построили вентиль И с использованием транзистора и вентиль ИЛИ с использованием транзистора, после чего в этой статье мы построим вентиль НЕ с использованием транзистора BJT. Прежде чем мы начнем, давайте разберемся с основами работы НЕ затвора и транзисторов.

НЕ является самым простым элементом по сравнению с остальными элементами цифровой логики. Символ логического элемента НЕ показан ниже вместе с таблицей истинности логического элемента НЕ .У него один вход и один выход.

Логическое уравнение NOT Gate. можно записать как Y =, его выход будет низким, когда вход высокий, и выход будет высоким, когда вход низкий.

Мы собираемся узнать о транзисторах, так как мы собираемся построить затвор НЕ, используя BC547, который является транзистором NPN. Транзистор — это прямое соединение диода. Диод — это полупроводниковый прибор, который легирован примесями, чтобы сделать его p-типом или n-типом в зависимости от типов примесей, используемых при легировании.Когда эти диоды подключаются обратно к задней клемме, они образуют транзистор. В зависимости от того, какие стороны подключены, транзисторы бывают двух типов, а именно транзисторы NPN и транзисторы PNP.

Разница в схемах заключается в том, что при подключении выводов питания вывод эмиттера PNP-транзистора соединяется с положительным выводом, а для транзистора NPN положительный вывод подключается к выводу коллектора. Отныне тема будет обсуждаться только на основе NPN-транзистора.

Случай 1: Когда базовое напряжение меньше напряжения эмиттера, поток электронов от эмиттера к коллектору блокируется PN-переходом (этот ток представляет собой электрический ток, который течет от отрицательного вывода к положительному выводу, в то время как обычный ток течет от положительного вывода). клемма к отрицательной клемме), поскольку теперь она действует в обратном направлении.

Случай 2: Когда базовое напряжение больше, чем напряжение эмиттера (Vb> 0.6v), переход уменьшается, и это позволяет протекать току от вывода эмиттера к выводу коллектора. Транзистор должен работать в области насыщения, поскольку они обеспечивают низкое падение напряжения в области насыщения.

Схема для затвора НЕ с использованием транзистора приведена ниже. Схема была разработана и смоделирована с использованием программного обеспечения Proteus.

Я принял напряжение питания как 9 В, и я хочу подать 9 мА на светодиод, поэтому я использовал 100 Ом для ограничения тока.Такой же ток должен протекать через транзистор I _c = 9 мА. Значение hfe транзистора равно 100, поэтому значение I _b должно быть 0,09 мА. Поскольку I _b составляет 0,09 мА, номинальное сопротивление базового резистора должно быть 10 кОм.

На рисунке ниже показан ток в обоих случаях.

Корпус 1: —

Когда переключатель находится в выключенном состоянии, ток к базе равен нулю, и транзистор действует как разомкнутая цепь из-за того, что ток течет в направлении светодиода, и светодиод начинает светиться.

Корпус 2: —

Когда переключатель находится во включенном состоянии, ток к базе начинает течь, и это заставляет транзистор действовать как короткое замыкание, и в качестве тока выберите наименьшее сопротивление, которое теперь обеспечивается транзистором, будет течь по этому пути и Светодиод погаснет.

Следовательно, оба случая имеют одинаковые входы и выходы, следующие за таблицей истинности логического элемента НЕ. Таким образом, мы построили логический вентиль NOT, используя транзистор .Надеюсь, вы поняли руководство и получили удовольствие от изучения чего-то нового. Полную работу установки можно найти в видео ниже. Если у вас есть какие-либо вопросы, оставьте их в разделе комментариев ниже или воспользуйтесь нашим форумом, чтобы задать другие технические вопросы.

NOT Gate: как это работает? (Принципиальная электрическая схема и принцип работы)

Что такое ворота НЕ?

Элемент НЕ — это логический элемент, который инвертирует цифровой входной сигнал. По этой причине вентиль НЕ иногда называют инвертором (не путать с инвертором мощности).Элемент НЕ всегда имеет высокий выход (логическая 1), когда его вход низкий (логический 0). И наоборот, логический элемент НЕ всегда имеет низкий выход (логический 0), когда на входе высокий уровень (логическая 1). Логический символ элемента НЕ показан ниже:

Если входная двоичная переменная элемента НЕ рассматривается как A, то выходной двоичной переменной элемента будет. Символ неработоспособности — полоска (-). Если значение A равно 1.
, тогда = 0, и наоборот, если значение A равно = 1.

В таблицах истинности перечислены выходные данные конкретной цифровой логической схемы для всех возможных комбинаций ее входов. Таблица истинности логического элемента НЕ может быть представлена ​​как:

Другие логические элементы включают ворота И, ворота ИЛИ, ворота И-НЕ, ворота ИЛИ-НЕ, элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ.

Затвор НЕ может быть легко реализован с помощью простого биполярного транзистора. Схема транзистора затвора НЕ (также известного как транзисторный инвертор) показана ниже:

Схема транзистора выше будет использоваться для демонстрации того, как работает затвор ПРИМЕЧАНИЕ.

Как работает вентиль НЕ

Давайте рассмотрим приведенную выше схему транзистора при подаче высокого входного напряжения, то есть + 5В.

В этом состоянии транзистор T получает достаточный базовый потенциал для включения.

Как только транзистор перейдет в состояние ВКЛ, напряжение питания (+ 5В) в точке B перейдет на землю через резистор R. В состоянии ВКЛ транзистор будет вести себя как короткозамкнутый, поэтому все напряжение питания будет падать на резистор R, и напряжение на X не появится, и, следовательно, выход инвертора или вентиль НЕ будет равен нулю.Фактически, будет некоторое падение напряжения на коллекторе и эмиттере даже при включенном состоянии транзистора.

Это напряжение коллектор-эмиттер составляет около 0,6 В. Таким образом, при вышеупомянутом состоянии входа все напряжение питания + 5 В не будет падать на резисторе, а будет равно 5 — 0,6 = 4,4 В. Итак, 0,6 В практически считается логическим нулем или низким уровнем.

Теперь рассмотрим условие, при котором на входе A = 0 В, т.е. на базовый вывод транзистора подается 0 В или он заземлен.

В этом состоянии, поскольку база транзистора находится под нулевым потенциалом, транзистор T будет в состоянии ВЫКЛ, и, следовательно, напряжение питания не будет иметь никакого пути к земле, и все напряжение питания появится на выходном зажиме логической 1 логической единицы НЕ, когда на входной клемме А низкий уровень или логический ноль.

NOT Gate IC

IC, доступная на рынке для NOT gate , — это IC 7404. Одна ИС 7404 содержит в общей сложности шесть транзисторов инвертора или просто шесть NOT gate .

НЕ ворота | Логические ворота

Схема однотранзисторного инвертора, проиллюстрированная ранее, на самом деле слишком грубая, чтобы ее можно было использовать в качестве затвора.

Реальные схемы инвертора содержат более одного транзистора для максимального увеличения напряжения (чтобы гарантировать, что конечный выходной транзистор находится либо в состоянии полной отсечки, либо в полном насыщении), а также другие компоненты, предназначенные для уменьшения вероятности случайного повреждения.

на практике

Здесь представлена ​​принципиальная схема реальной схемы инвертора, укомплектованная всеми необходимыми компонентами для эффективной и надежной работы:

Эта схема состоит исключительно из резисторов, диодов и биполярных транзисторов.

Имейте в виду, что другие схемы могут выполнять функцию затвора НЕ, включая схемы, заменяющие биполярные полевые транзисторы (обсуждаемые далее в этой главе).

Анализ работы схемы НЕ затвора

Высокий вход

Давайте проанализируем эту схему на предмет состояния, когда на входе «высокий» уровень или состояние двоичной «1».

Мы можем смоделировать это, показав входной терминал, подключенный к V _cc через переключатель:

В этом случае диод D ₁ будет иметь обратное смещение и, следовательно, не будет проводить никакого тока.

Фактически, единственная цель наличия D ₁ в схеме — предотвратить повреждение транзистора в случае, когда на вход подается отрицательное напряжение (отрицательное, а не положительное напряжение по отношению к заземлению). ).

При отсутствии напряжения между базой и эмиттером транзистора Q ₁ , мы бы также не ожидали, что через него будет протекать ток.

Однако, как это ни странно, транзистор Q ₁ не используется, как это принято для транзисторов.

На самом деле Q ₁ используется в этой схеме как не что иное, как пара диодов, соединенных друг с другом.

На следующей схеме показана реальная функция Q ₁ :

Назначение этих диодов — «направлять» ток к базе транзистора Q ₂ или от нее, в зависимости от логического уровня входа.

При первом осмотре не совсем очевидно, как эти два диода способны «управлять» током, поэтому для понимания может потребоваться небольшой пример.

Предположим, у нас есть следующая схема диода / резистора, представляющая переходы база-эмиттер транзисторов Q ₂ и Q ₄ в виде одиночных диодов, убирая все остальные части схемы, чтобы мы могли сосредоточиться на токе, «управляемом». ”Через два встречных диода:

Когда входной переключатель находится в положении «вверх» (подключен к V _cc ), должно быть очевидно, что ток через левый диод рулевого управления Q ₁ не будет проходить, потому что нет напряжения в цепи переключатель-диод-R ₁ -петля переключения для побуждения электронов течь.

Однако будет иметь ток через правый управляющий диод Q ₁ , а также через переход база-эмиттер Q ₂ и переход база-эмиттер Q ₄ :

Это говорит нам о том, что в реальной схеме затвора транзисторы Q ₂ и Q ₄ будут иметь ток базы, который включит их для проведения тока коллектора.

Суммарное падение напряжения между базой Q ₁ (узел, соединяющий два встречных управляющих диода) и землей будет около 2.1 вольт, что соответствует совокупному падению напряжения трех PN-переходов: правого управляющего диода, диода база-эмиттер Q ₂ и диода база-эмиттер Q ₄ .

Низкий вход

Теперь переместим переключатель входа в положение «вниз» и посмотрим, что произойдет:

Если бы мы измерили ток в этой цепи, мы бы обнаружили, что все тока проходят через левый управляющий диод Q ₁ , а нет, — через правый диод.

Почему это? По-прежнему кажется, что есть полный путь для тока через диод Q ₄ , диод Q ₂ , правый диод пары и R ₁ , так почему же не будет тока через? этот путь?

Помните, что диоды с PN-переходом — очень нелинейные устройства: они даже не начинают проводить ток, пока прямое напряжение, приложенное к ним, не достигнет определенного минимального значения, примерно 0,7 В для кремния и 0,3 В для германия.

И затем, когда они начнут проводить ток, они не упадут значительно больше 0,7 вольт.

Когда переключатель в этой цепи находится в положении «вниз», левый диод пары рулевых диодов является полностью проводящим, и поэтому он падает примерно на 0,7 вольт и не более.

Напомним, что когда переключатель находится в верхнем положении (транзисторы Q ₂ и Q ₄ проводят), между этими двумя точками (базой и землей Q ₁ ) было падение примерно 2,1 вольт. Кроме того, это минимальное напряжение , необходимое для прямого смещения трех последовательно соединенных кремниевых PN-переходов в состояние проводимости.

0,7 В, обеспечиваемое прямым падением напряжения на левом диоде, просто недостаточно, чтобы позволить любому электронному потоку проходить через последовательную цепочку правого диода, диода Q ₂ и диода R ₃ // Q ₄ параллельная подсхема, и поэтому электроны не проходят по этому пути.

При отсутствии тока через базы транзистора Q ₂ или Q ₄ ни один из них не сможет проводить ток коллектора: транзисторы Q ₂ и Q ₄ оба будут в состоянии отсечки.

Следовательно, эта конфигурация схемы позволяет 100% переключать базовый ток Q ₂ (и, следовательно, управлять остальной частью схемы затвора, включая напряжение на выходе) путем отвода тока через левый диод управления.

В случае нашей примерной схемы затвора вход удерживается «высоким» переключателем (подключенным к V _cc ), образуя левый диод рулевого управления (на нем падает нулевое напряжение).

Однако правый диод рулевого управления проводит ток через базу Q ₂ через резистор R ₁ :

При наличии базового тока транзистор Q ₂ будет включен.«Более конкретно, это будет насыщенный в силу более чем достаточного тока, допускаемого R ₁ через базу.

При насыщении Q ₂ резистор R ₃ будет понижать напряжение, достаточное для прямого смещения перехода база-эмиттер транзистора Q ₄ , тем самым насыщая его:

При насыщении Q ₄ выходная клемма будет почти напрямую замкнута на землю, в результате чего выходная клемма будет иметь напряжение (относительно земли) почти 0 В или двоичный «0» («низкий») логический уровень. .

Из-за наличия диода D ₂ между базой Q ₃ и его эмиттером не будет достаточного напряжения для его включения, поэтому он остается в отсечке.

Анализ низких входных и выходных сигналов

Давайте теперь посмотрим, что произойдет, если мы изменим логический уровень входа на двоичный «0», активировав переключатель входа:

Теперь ток будет проходить через левый диод рулевого управления Q ₁ и нет тока через правый диод рулевого управления.

Это устраняет ток через базу Q ₂ , тем самым отключая его.

При выключенном Q ₂ больше нет пути для базового тока Q ₄ , поэтому Q ₄ также переходит в режим отсечки. Q ₃ , с другой стороны, теперь имеет достаточное падение напряжения между его базой и землей, чтобы смещать в прямом направлении переход база-эмиттер и насыщать его, тем самым повышая выходное напряжение на клеммах до «высокого» состояния.

На самом деле, выходное напряжение будет где-то около 4 вольт в зависимости от степени насыщения и любого тока нагрузки, но все же достаточно высоким, чтобы считаться «высоким» (1) логическим уровнем.

На этом моделирование схемы инвертора завершено: вход «1» дает выход «0», и наоборот.

Наблюдения за цепью

Проницательный наблюдатель заметит, что вход этой схемы инвертора примет «высокий» статус левого плавающего (не подключен ни к V _cc , ни к земле).

Когда входная клемма остается неподключенной, ток через левый диод управления Q ₁ не будет, и весь ток R ₁ будет проходить через базу Q ₂ , тем самым насыщая Q ₂ и переводит выход схемы в состояние «низкий»:

Транзисторно-транзисторная логика (TTL)

Тенденция такой схемы к переходу в состояние высокого входного сигнала, если она остается плавающей, характерна для всех схем затвора, основанных на этом типе конструкции, известной как T транзистор-to- T ransistor L ogic или TTL .Эта характеристика может быть использована при упрощении конструкции схемы выхода затвора , зная, что выходы затворов обычно управляют входами других затворов.

Если вход схемы затвора TTL принимает высокое состояние при плавающем состоянии, то выход любого затвора, управляющего входом TTL, должен только обеспечивать путь к земле для низкого состояния и быть плавающим для высокого состояния. Для полного понимания эта концепция может потребовать доработки, поэтому я подробно рассмотрю ее здесь.

Источники и утечки токов

Источники тока

Схема затвора, которую мы только что проанализировали, может управлять выходным током в двух направлениях: внутрь и наружу.

Технически это известно как с источником и с понижением тока соответственно.

Когда на выходе затвора высокий уровень, существует непрерывность от выходной клеммы к V _cc через верхний выходной транзистор (Q ₃ ), позволяя электронам течь от земли через нагрузку к выходной клемме затвора через эмиттер Q ₃ , и в конечном итоге до клеммы питания V _cc (положительная сторона источника питания постоянного тока):

Чтобы упростить эту концепцию, мы можем показать выход схемы затвора как двухпозиционный переключатель, способный подключать выходной терминал либо к V _cc , либо к земле, в зависимости от его состояния.

Для затвора, выводящего «высокий» логический уровень, комбинация Q ₃ насыщена и Q ₄ отсечки аналогична двухпозиционному переключателю в положении «V _cc », обеспечивая путь для тока через заземленная нагрузка:

Обратите внимание, что этот двухпозиционный переключатель, показанный внутри символа затвора, представляет транзисторы Q ₃ и Q ₄ , поочередно подключающие выходную клемму к V _cc или земле, а не , а не переключателя, показанного ранее, отправляя сигнал входной сигнал в ворота!

Понижающие токи

И наоборот, когда схема затвора выдает «низкий» логический уровень на нагрузку, это аналогично тому, как двухпозиционный переключатель устанавливается в положение «земля».

Тогда ток будет идти в обратном направлении, если сопротивление нагрузки подключено к V _cc : от земли, через эмиттер Q ₄ , через выходную клемму, через сопротивление нагрузки и обратно к V _cc . В этом состоянии вентиль, как говорят, имеет понижающий ток :

Требования для работы TTL

Комбинация транзисторов Q ₃ и Q ₄ , работающих как «двухтактная» транзисторная пара (также известная как выход на тотемный полюс ), может использовать любой источник тока (потреблять ток до V _cc ) или потребляемый ток (выходной ток от земли) к нагрузке.

Тем не менее, для стандартного входа логического элемента TTL не требуется подавать ток, а только заглубленный.

То есть, поскольку вход затвора TTL, естественно, принимает высокое состояние, если он оставлен плавающим, любому выходу затвора, управляющему входом TTL, нужен только ток потребления, чтобы обеспечить вход «0» или «низкий», и не требуется ток источника для обеспечения « 1 »или« высокий »логический уровень на входе приемного элемента:

Выход с открытым коллектором

Это означает, что у нас есть возможность упростить выходной каскад схемы затвора, чтобы полностью исключить Q ₃ .

Результат известен как выход с открытым коллектором :

Для обозначения схемы выхода с открытым коллектором в стандартном символе затвора используется специальный маркер.

Здесь показан символ затвора инвертора с выходом с открытым коллектором:

Имейте в виду, что состояние «высокого» по умолчанию входа с плавающим затвором справедливо только для схем TTL и не обязательно для других типов, особенно для логических вентилей, построенных на полевых транзисторах.

ОБЗОР:

• Инвертор, или НЕ, вентиль — это вентиль, который выводит состояние, противоположное входному. То есть «низкий» вход (0) дает «высокий» выход (1), и наоборот.
Схемы затвора
• , состоящие из резисторов, диодов и биполярных транзисторов, как показано в этом разделе, называются TTL . TTL — это аббревиатура от Transistor-to-Transistor Logic . В схемах затвора используются и другие методологии проектирования, в некоторых из которых используются полевые транзисторы, а не биполярные транзисторы.
• Считается, что затвор является источником , источником тока, когда он обеспечивает путь для тока между выходным выводом и положительной стороной источника питания постоянного тока (V _cc ). Другими словами, он подключает выходную клемму к источнику питания (+ V).
• Считается, что затвор принимает ток , когда он обеспечивает путь для тока между выходным контактом и землей. Другими словами, это заземление (опускание) выходной клеммы.
Цепи затвора
• с тотемным полюсом Выходные каскады способны как источник , так и потреблять ток .Цепи затвора с выходными каскадами с открытым коллектором способны только потреблять ток, но не истощать ток. Затворы с открытым коллектором практичны, когда используются для управления входами затвора TTL, потому что входы TTL не требуют источника тока.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

НЕ вентиль с использованием транзистора

Логические вентили могут быть реализованы с использованием транзисторов . Один из самых оригинальных логических вентилей из всех #logicgates — это вентиль НЕ , который используется во многих цифровых схемах, где требуется инвертированный выход.Логические ворота, такие как NOR, NAND и т. Д., Могут быть реализованы с помощью NOT Gate. Давайте узнаем, как построить НЕ-вентиль, используя транзистор.

Чтобы узнать больше о логических вентилях Щелкните здесь .

Давайте изучим процедуру создания затвора НЕ с помощью транзистора и посмотрим, как реализуется затвор НЕ , с помощью транзистора .

      A   (  Вход  )     Q   (  Выход  )   
      0     1   
      1     0