De NIET-poort

Het eerder geïllustreerde invertercircuit met enkele transistor is eigenlijk te grof om praktisch als poort te kunnen worden gebruikt. Echte invertercircuits bevatten meer dan één transistor om de spanningsversterking te maximaliseren (om ervoor te zorgen dat de uiteindelijke uitgangstransistor volledig is uitgeschakeld of volledig verzadigd is), en andere componenten die zijn ontworpen om de kans op onopzettelijke schade te verkleinen.

Praktisch schema van de omvormer

Hier wordt een schematisch diagram weergegeven voor een echt invertercircuit, compleet met alle benodigde componenten voor een efficiënte en betrouwbare werking:

Deze schakeling bestaat uitsluitend uit weerstanden, diodes en bipolaire transistoren. Houd er rekening mee dat andere circuitontwerpen in staat zijn om de NOT-poortfunctie uit te voeren, inclusief ontwerpen die bipolaire veldeffecttransistoren vervangen (wordt later in dit hoofdstuk besproken).

NIET analyse van de werking van het poortcircuit

Hoge invoer

Laten we dit circuit analyseren voor de toestand waarin de invoer "hoog" of in een binaire "1" -status is. We kunnen dit simuleren door de ingangsaansluiting weer te geven die is aangesloten op V_cc via een schakelaar:

In dit geval diode D₁ zullen omgekeerd voorgespannen zijn en daarom geen stroom geleiden. In feite is het enige doel voor het hebben van D₁ in het circuit is om schade aan de transistor te voorkomen in het geval van een negatief spanning die op de ingang wordt gedrukt (een spanning die negatief is in plaats van positief ten opzichte van aarde).

Zonder spanning tussen de basis en de emitter van transistor Q₁ , we zouden er ook geen stroom doorheen verwachten. Hoe vreemd het ook mag lijken, transistor Q₁ wordt niet gebruikt zoals bij een transistor gebruikelijk is. In werkelijkheid, Q₁ wordt in dit circuit gebruikt als niets meer dan een back-to-back paar diodes. Het volgende schema toont de werkelijke functie van Q₁ :

Het doel van deze diodes is om stroom naar of weg te sturen van de basis van transistor Q₂ , afhankelijk van het logische niveau van de ingang. Hoe deze twee diodes de stroom precies kunnen "sturen" is bij de eerste inspectie niet helemaal duidelijk, dus een kort voorbeeld kan nodig zijn om het te begrijpen.

Stel dat we de volgende diode/weerstandsschakeling hadden, die de basis-emitterovergangen van transistoren Q₂ voorstelt en Q₄ als enkele diodes, waarbij alle andere delen van het circuit worden verwijderd, zodat we ons kunnen concentreren op de stroom die wordt "gestuurd" door de twee back-to-back diodes:

Met de ingangsschakelaar in de "omhoog" positie (verbonden met V_cc ), moet het duidelijk zijn dat er geen stroom zal zijn door de linker stuurdiode van Q₁ , omdat er geen spanning is in de schakeldiode-R₁ -schakellus om elektronen te motiveren om te stromen.

Er zal echter zal stroom zijn door de rechter stuurdiode van Q₁ , evenals via Q₂ 's basis-emitter diode junctie en Q₄ 's basis-emitter diode junctie:

Dit vertelt ons dat in het echte poortcircuit de transistors Q₂ en Q₄ hebben basisstroom, waardoor ze worden ingeschakeld om collectorstroom te geleiden.

De totale spanning gedaald tussen de basis van Q₁ (het knooppunt dat de twee back-to-back stuurdiodes verbindt) en aarde zal ongeveer 2,1 volt zijn, gelijk aan de gecombineerde spanningsdalingen van drie PN-juncties:de rechter stuurdiode, Q₂ 's basis-emitterdiode, en Q₄ 's basis-emitterdiode.

Lage invoer

Laten we nu de ingangsschakelaar naar de "omlaag"-positie verplaatsen en kijken wat er gebeurt:

Als we de stroom in dit circuit zouden meten, zouden we vinden dat alle van de stroom gaat door de linker stuurdiode van Q₁ en geen ervan door de rechter diode. Waarom is dit? Het lijkt nog steeds alsof er een volledig pad is voor stroom door Q₄ 's-diode, Q₂ 's diode, de rechter diode van het paar, en R₁ , dus waarom staat er dan geen stroom door dat pad?

Onthoud dat PN-junctiediodes zeer niet-lineaire apparaten zijn:ze beginnen niet eens stroom te geleiden totdat de over hen aangelegde voorwaartse spanning een bepaalde minimale hoeveelheid bereikt, ongeveer 0,7 volt voor silicium en 0,3 volt voor germanium. En als ze dan stroom beginnen te geleiden, zullen ze niet veel meer dan 0,7 volt dalen.

Wanneer de schakelaar in dit circuit in de "omlaag" -positie staat, is de linker diode van het stuurdiodepaar volledig geleidend, en dus valt hij er ongeveer 0,7 volt overheen en niet meer.

Bedenk dat met de schakelaar in de "omhoog" positie (transistors Q₂ en Q₄ geleidend), viel er ongeveer 2,1 volt tussen diezelfde twee punten (Q₁ 's basis en grond), wat ook het minimum . is spanning die nodig is om drie in serie geschakelde silicium PN-overgangen naar een geleidingstoestand te leiden.

De 0,7 volt geleverd door de voorwaartse spanningsval van de linker diode is gewoon onvoldoende om elektronen door de seriereeks van de rechter diode, Q₂ te laten stromen. 's diode, en de R₃ //Q₄ diode parallel subcircuit, en dus stromen er geen elektronen door dat pad. Zonder stroom door de bases van beide transistoren Q₂ of Q₄ , geen van beide zal collectorstroom kunnen geleiden:transistors Q₂ en Q₄ zullen beide in een staat van afsnijding zijn.

Bijgevolg maakt deze circuitconfiguratie 100 procent schakelen van Q₂ . mogelijk basisstroom (en dus controle over de rest van het poortcircuit, inclusief spanning aan de uitgang) door stroomafleiding door de linker stuurdiode.

In het geval van ons voorbeeldpoortcircuit wordt de ingang "hoog" gehouden door de schakelaar (verbonden met V_cc ), waardoor de linker stuurdiode ontstaat (er valt nul spanning over). De rechter stuurdiode geleidt echter stroom door de basis van Q₂ , via weerstand R₁ :

Met basisstroom voorzien, transistor Q₂ wordt "aan" gezet. Meer specifiek, het zal verzadigd zijn dankzij de meer dan voldoende stroom toegestaan ​​door R₁ door de basis. Met Q₂ verzadigd, weerstand R₃ zal voldoende spanning laten vallen om de basis-emitterovergang van transistor Q₄ voor te buigen , waardoor het ook verzadigt:

Met Q₄ verzadigd is, wordt de uitgangsklem bijna direct kortgesloten naar aarde, waardoor de uitgangsklem op een spanning (met betrekking tot aarde) van bijna 0 volt blijft, of een binair "0" ("laag") logisch niveau. Door de aanwezigheid van diode D₂ , zal er niet genoeg spanning zijn tussen de basis van Q₃ en zijn zender om hem aan te zetten, dus hij blijft in de cutoff.

Lage input-outputanalyse

Laten we nu eens kijken wat er gebeurt als we het logische niveau van de ingang omkeren naar een binaire "0" door de ingangsschakelaar te bedienen:

Nu loopt er stroom door de linker stuurdiode van Q₁ en geen stroom door de rechter stuurdiode. Dit elimineert stroom door de basis van Q₂ , waardoor het wordt uitgeschakeld.

Met Q₂ uitgeschakeld, is er geen pad meer voor Q₄ basisstroom, dus Q₄ gaat ook in de cut-off. Q₃ , aan de andere kant, is er nu voldoende spanning gedaald tussen de basis en aarde om de basis-emitterovergang voorwaarts te leiden en te verzadigen, waardoor de uitgangsklemspanning naar een "hoge" toestand wordt verhoogd.

In werkelijkheid zal de uitgangsspanning ergens rond de 4 volt liggen, afhankelijk van de mate van verzadiging en eventuele belastingsstroom, maar nog steeds hoog genoeg om als een "hoog" (1) logisch niveau te worden beschouwd. Hiermee is onze simulatie van het invertercircuit compleet:een “1” in geeft een “0” uit en vice versa.

Circuitwaarnemingen

De scherpzinnige waarnemer zal opmerken dat de ingang van dit invertercircuit een "hoge" status zal aannemen als deze zwevend blijft (niet aangesloten op een van beide V_cc of grond). Als de ingangsaansluiting niet is aangesloten, loopt er geen stroom door de linker stuurdiode van Q₁ , waarbij alles van R₁ . overblijft 's stroom om door Q₂ te gaan 's basis, waardoor Q₂ . verzadigt en de circuituitgang naar een "lage" toestand sturen:

Transistor-naar-transistorlogica (TTL)

De neiging van zo'n circuit om een ​​hoge ingangstoestand aan te nemen als het zweeft, wordt gedeeld door alle poortcircuits op basis van dit type ontwerp, bekend als T ransistor-to-T ransistor L ogic, of TTL . Dit kenmerk kan worden benut bij het vereenvoudigen van het ontwerp van de uitgang van een poort circuits, wetende dat de uitgangen van poorten typisch de ingangen van andere poorten aansturen.

Als de ingang van een TTL-poortcircuit een hoge toestand aanneemt wanneer deze zweeft, dan hoeft de uitgang van een poort die een TTL-ingang aanstuurt alleen een pad naar aarde te bieden voor een lage toestand en te zweven voor een hoge toestand. Dit concept vereist mogelijk verdere uitwerking voor een volledig begrip, dus ik zal het hier in detail onderzoeken.

Sourcing en zinkende stromen

Sourcing-stromen

Een poortcircuit zoals we zojuist hebben geanalyseerd, kan de uitgangsstroom in twee richtingen verwerken:in en uit. Technisch gezien staat dit bekend als sourcing en zinken stroom, respectievelijk. Wanneer de poortuitgang hoog is, is er continuïteit van de uitgangsklem naar V_cc via de bovenste uitgangstransistor (Q₃ ), waardoor elektronen van de grond, door een belasting, naar de uitgangsterminal van de poort kunnen stromen, via de emitter van Q₃ , en uiteindelijk tot aan de V_cc voedingsaansluiting (positieve kant van de DC-voeding):

Om dit concept te vereenvoudigen, kunnen we de output van een gate-circuit laten zien als een dubbele-throw-schakelaar, die in staat is om de outputterminal aan te sluiten op V_cc of grond, afhankelijk van de staat. Voor een poort die een "hoog" logisch niveau uitvoert, is de combinatie van Q₃ verzadigd en Q₄ cutoff is analoog aan een double-throw schakelaar in de “V_cc ”-positie, die een pad biedt voor stroom door een geaarde belasting:

Houd er rekening mee dat deze schakelaar met twee standen in het poortsymbool representatief is voor transistoren Q₃ en Q₄ afwisselend de uitgangsaansluiting verbinden met V_cc of grond, niet van de eerder getoonde schakelaar stuurt een ingangssignaal naar de poort!

Zinkende stromingen

Omgekeerd, wanneer een poortcircuit een "laag" logisch niveau naar een belasting uitvoert, is dit analoog aan de schakelaar met dubbele worp die in de "aarde" -positie wordt geplaatst. De stroom gaat dan de andere kant op als de belastingsweerstand aansluit op V_cc :vanaf de grond, via de zender van Q₄ , uit de uitgangsklem, door de belastingsweerstand en terug naar V_cc . In deze toestand zou de poort zinken huidige:

Vereisten voor TTL-bediening

De combinatie van Q₃ en Q₄ werken als een "push-pull" transistorpaar (ook wel bekend als een totempaaluitgang ) heeft de mogelijkheid om ofwel stroom te leveren (stroom naar V_cc ) of zinkstroom (uitgangsstroom van aarde) naar een belasting. Een standaard TTL-poort invoer heeft nooit stroom nodig om te worden aangevoerd, alleen gezonken. Dat wil zeggen, aangezien een TTL-poortingang van nature een hoge toestand aanneemt als deze zweeft, hoeft elke poortuitgang die een TTL-ingang aanstuurt alleen stroom te laten zinken om een ​​"0" of "lage" ingang te leveren, en hoeft geen stroom te leveren om een ​​"1" te leveren. ” of een “hoog” logisch niveau aan de ingang van de ontvangende poort:

Uitgang met open collector

Dit betekent dat we de mogelijkheid hebben om de uitgangstrap van een poortschakeling te vereenvoudigen om Q₃ te elimineren allemaal samen. Het resultaat staat bekend als een open-collector output :

Om open-collector-uitgangscircuits aan te duiden binnen een standaard poortsymbool, wordt een speciale markering gebruikt. Hier wordt het symbool weergegeven voor een inverterpoort met open-collectoruitgang:

Houd er rekening mee dat de "hoge" standaardconditie van een zwevende poortingang alleen geldt voor TTL-circuits, en niet noodzakelijk voor andere typen, vooral voor logische poorten die zijn gemaakt van veldeffecttransistoren.

Recensie

• Een inverter, of NOT, poort is er een die de tegenovergestelde toestand uitvoert als wat wordt ingevoerd. Dat wil zeggen, een "lage" invoer (0) geeft een "hoge" uitvoer (1) en vice versa.
• Gate-circuits die zijn opgebouwd uit weerstanden, diodes en bipolaire transistors, zoals geïllustreerd in deze sectie, worden TTL genoemd. . TTL is een acroniem dat staat voor Transistor-to-Transistor Logic . Er zijn andere ontwerpmethodologieën die worden gebruikt in poortcircuits, waarvan sommige gebruik maken van veldeffecttransistoren in plaats van bipolaire transistors.
• Er wordt gezegd dat een poort sourcing is stroom wanneer het een pad voor stroom biedt tussen de uitgangsklem en de positieve kant van de gelijkstroomvoeding (V_cc ). Met andere woorden, het verbindt de uitgangsaansluiting met de stroombron (+V).
• Er wordt gezegd dat een poort zinkt stroom wanneer het een pad biedt voor stroom tussen de uitgangsklem en aarde. Met andere woorden, het is het aarden (verzinken) van de uitgangsaansluiting.
• Poortcircuits met totempaal uitgangstrappen kunnen zowel bron en gootsteen stroom. Poortschakelingen met open-collector uitgangstrappen kunnen alleen stroom zinken, en geen bronstroom. Open-collectorpoorten zijn praktisch wanneer ze worden gebruikt om TTL-poortingangen aan te sturen, omdat voor TTL-ingangen geen stroomvoorziening nodig is.

Verwante werkbladen

• TTL Logic Gates-werkblad

• Basis logische poorten werkblad