De NOT-Poort (Inverter) in TTL-Schakelingen Begrijpen

Een enkele-transistor inverter, hoewel illustrerend, mist de prestaties die vereist zijn voor echte digitale logica. Praktische NOT-poorten gebruiken meerdere transistoren om hoge spanningsversterking te bereiken, zodat de uitgangstransistor schoon in volledige afsnijden of volledige verzadiging opereert, en beschermingselementen om toevalschade te voorkomen.

Praktisch Inverter Schema

Hieronder volgt een compleet schema van een functionele TTL NOT-poort, met alle essentiële componenten voor betrouwbare, hoge-versterking operatie:

Het ontwerp berust uitsluitend op weerstanden, diodes en bipolaire transistor (BJTs). Alternatieve topologieën, zoals die gebruikmakend van veld-effect transistoren (FETs), kunnen de NOT-operatie ook realiseren en worden later in deze gids behandeld.

NOT-Poort Schakeling Analyse

Hoge Invoer

Eerst overwegen we het geval waar het invoerlogica-niveau hoog is (binaire "1"). Dit scenario kan gemodelleerd worden door de invoerpin aan de voedingsspannung Vcc te koppelen via een schakelaar:

Met de invoer hoog gedreven, wordt diode D1 omgekeerd gepolariseerd en geleidt geen stroom. Haar enige doel is de transistor te beschermen tegen toevallige negatieve spanningen op de invoer.

Onder deze omstandigheden blijft de basis-emitter overgang van transistor Q1 niet-geleidend. Q1 wordt echter niet in de conventionele zin gebruikt; het fungeert als een paar achteraan-achter diodes. Het vereenvoudigde schema hieronder illustreert deze rol:

De twee diodes in Q1 sturen stroom naar of weg van de basis van Q2, afhankelijk van het invoerlogica-niveau. Om deze stuuractie te begrijpen, verbeeld een vereenvoudigde schakeling die alleen bestaat uit de basis-emitter overgangen van Q2 en Q4 voorgesteld als enkele diodes, met de rest van de schakeling verwijderd:

Wanneer de invoerschakelaar in de "omhoog" positie is (verbonden met Vcc), vloeit geen stroom door de linkse stuurdiode van Q1 omdat er geen spanningslus is om elektronen te drijven. Wel vloeit stroom door de rechtse stuurdiode, de basis-emitter diode van Q2, en de basis-emitter diode van Q4:

Dit betekent dat in de daadwerkelijke inverter, Q2 en Q4 basistroom ontvangen en aanzetten, waardoor collectorstroom kan vloeien. De spanning die valt van het knooppunt aan het kruispunt van de twee stuurdiodes naar ground is ongeveer 2,1 V – de som van drie silicium PN-overgangen (de rechtse stuurdiode, de basis-emitter overgang van Q2, en de basis-emitter overgang van Q4).

Lage Invoer

Nu verplaatsen we de invoerschakelaar naar de "omlaag" positie en observeren het resulterende gedrag:

In deze toestand vloeit alle stroom door de linkse stuurdiode van Q1 en geen door de rechtse. Hoewel een compleet pad lijkt te bestaan voor stroom door de rechter diode en de reeks van Q4 en Q2, is de forward spanning van de linkerdiode (~0,7 V voor silicium) onvoldoende om de reeks van de andere twee diodes forward te biassen, waardoor geen basistroom in Q2 of Q4 ontstaat. Gevolgljik blijven beide transistoren in afsnijden.

Wanneer de invoer hoog is, presenteert de linkse stuurdiode geen spanningsval, wat de rechter diode toestaat basistroom in Q2 te leiden via weerstand R1:

Met voldoende basisdrijving verzadigt Q2, trekt R3 laag genoeg om de basis-emitter overgang van Q4 forward te biassen, wat ook verzadigt. De uitgangsknoop wordt dan effectief naar ground geshort, producerend een logische "0". De diode D2 voorkomt dat Q3 aanzet, houdend het in afsnijden.

Lage Invoer Uitgangsanalyse

Integenstelling, wanneer de invoer laag is, vloeit stroom door de linkse stuurdiode van Q1, wat Q2 en Q4 uitschakelt. De basis van Q3 ontvangt voldoende spanning om de basis-emitter overgang forward te biassen, wat het in verzadiging drijft. De uitgang stijgt naar een hoog niveau (typisch rond 4 V, afhankelijk van belasting en verzadiging), voldoe aan de logische "1". Dus levert de inverter een perfecte logische inversie: een "1" invoer levert een "0" uitgang en vice versa.

Schakeling Observaties

Een opvallend kenmerk van deze TTL inverter is dat de invoer standaard naar een hoog logica-niveau gaat wanneer hij zweeft. In dat geval vloeit geen stroom door de linkse stuurdiode, en de volledige bias van R1 wordt toegepast op de basis van Q2, wat het aanzet en de uitgang laag drijft:

Transistor-Transistor Logica (TTL)

De neiging van TTL-poorten om een hoge toestand aan te nemen wanneer ze zweeven, is een fundamenteel kenmerk van de Transistor-Transistor Logica familie. Dit gedrag vereenvoudigt het ontwerp van poortuitgangen, met name wanneer de uitgang van de ene poort de invoer van een andere drijft, omdat een TTL-invoer alleen een pad naar ground nodig heeft om een lage toestand aan te geven en kan zweeven om een hoge toestand aan te geven.

Stroom Bronnen en Stroom Zinken

Stroom Bronnen (Sourcing)

Een TTL-poort kan zowel stroom bronnen als zinken via zijn totem-pole uitgangstrap. Wanneer de uitgang hoog is, verbindt de verzadigde Q3 de uitgangsknoop met Vcc, wat stroom toestaat te vloeien van de belasting, door de emitter van Q3, en terug naar de voeding:

Conceptueel kan de uitgang worden gezien als een dubbele-wissel schakelaar: wanneer de poort een hoog uitvoert, verbindt de schakelaar de uitgang met Vcc; wanneer hij een laag uitvoert, verbindt de schakelaar de uitgang met ground.

Stroom Zinken (Sinking)

Wanneer de uitgang laag is, verbindt de Q4 transistor de uitgang met ground, wat stroom toestaat te vloeien van de voeding, door de belasting, en in de emitter van Q4:

Deze dubbele mogelijkheden – bronnen bij hoog en zinken bij laag – zijn essentieel voor het drijven van een breed scala aan digitale belasting.

Vereisten voor TTL Operatie

TTL-invoeren zijn ontworpen om alleen een zinkende stroom te accepteren; ze zijn inherent hoog wanneer ze zweeven. Daarom hoeft een poort die een TTL-invoer drijft alleen een zinkend pad te bieden om een lage invoer te genereren. Dit elimineert de noodzaak voor de drijvende poort om stroom te bronnen naar de ontvangende invoer.

Open-Collector Uitgang

Omdat TTL-invoeren geen stroom bronnen vereisen, kan de uitgangstrap vereenvoudigd worden door Q3 te verwijderen, wat resulteert in een open-collector configuratie. De uitgang kan dan hoog getrokken worden door een externe weerstand:

Het standaardsymbool voor een open-collector inverter poort wordt hieronder getoond:

Overzicht

• Een NOT (inverter) poort produceert het tegenovergestelde logica-niveau op zijn uitgang: een lage invoer levert een hoge uitgang, en een hoge invoer levert een lage uitgang.
• TTL-poorten – samengesteld uit weerstanden, diodes en BJTs – bieden hoge spanningsversterking en robuuste bescherming. Alternatieve families, zoals FET-gebaseerde logica, zijn ook beschikbaar.
• Wanneer een poort "bronnen" doet, verbindt het de uitgang met de positieve voedingsspanning, wat een hoog logica-niveau levert.
• Wanneer een poort "zinkt", verbindt het de uitgang met ground, wat een laag logica-niveau levert.
• Totem-pole uitgangen kunnen zowel bronnen als zinken, terwijl open-collector uitgangen alleen kunnen zinken. Open-collector poorten zijn goed geschikt voor het drijven van TTL-invoeren omdat TTL-invoeren nooit stroom hoeven te bronnen.

Gerelateerde Werkbladen

• TTL Logische Poorten Werkblad
• Basale Logische Poorten Werkblad