Схема и не на транзисторах: Схемная реализация логических элементов И-ИЛИ-НЕ и других

Схемная реализация логических элементов И-ИЛИ-НЕ и других

Для выполнения логических операций и решать логические задачи с помощью средств электроники были изобретены логические элементы. Их создают с помощью диодов, транзисторов и комбинированных элементов (диодно-транзисторные). Такая логика получила название диодной логики (ДЛ), транзисторной (ТЛ) и диодно–транзисторной (ДТЛ). Используют как полевые, так и биполярные транзисторы. В последнем случае предпочтение отдается устройствам типа n-p-n, так как они обладают большим быстродействием.

Логический элемент «ИЛИ»

Схема логического элемента «ИЛИ» представлена на рисунке 1 а. На каждый из входов может подаваться сигнал в виде какого-то напряжения (единица) или его отсутствия (ноль). На резисторе R появиться напряжение даже при его появлении на каком – либо из диодов.

Рис. 1

Элементы или могут иметь несколько логических входов. Если используются не все входы, то те входы которые не используются следует соединять с землей (заземлять), чтобы избежать появления посторонних сигналов.

На рисунке 1б показано обозначение на электрической схеме элемента, а на 1в таблица истинности.

Логический элемент «И»

Схема элемента приведена на рис. 2. Если хотя – бы к одному из входов будет сигнал равный нулю, то через диод будет протекать ток. Падение напряжения на диоде стремится к нулю, соответственно на выходе тоже будет ноль. На выходе сможет появится сигнал только при условии, что все диоды будут закрыты, то есть на всех входах будет сигнал. Рассчитаем уровень сигнала на выходе устройства:

Рис.2

на рис. 2 б – обозначение на схеме, в – таблица истинности.

Логический элемент «НЕ»

В логическом элементе «НЕ» используют транзистор (рис.3 а). при наличии положительного напряжения на входе х=1 транзистор открывается и напряжение его коллектора стремится к нулю. Если х=0 то положительного сигнала на базе нет, транзистор закрыт, ток не проходит через коллектор и на резисторе R нет падения напряжения, соответственно на коллекторе появится сигнал Е. условное обозначение и таблица истинности приведены на рис. 3 б,в.

Рис.3

Логический элемент «ИЛИ-НЕ»

При создании различных схем на логических элементах часто применяют элементы комбинированные. В таких элементах совмещены несколько функций. Принципиальная схема показана на рис. 4 а.

Рис.4

Здесь диоды Д1 и Д2 выполняют роль элемента «ИЛИ», а транзистор играет роль инвертора. Обозначение элемента на схеме и его таблица истинности рис. 4б и в соответственно.

Логический элемент «И-НЕ»

Показана схема на рис. 5 а. Здесь диод Д3 выполняет роль так сказать фильтра во избежание искажения сигнала. Если на вход х1 или х2 не подан сигнал (х1=0 или х2=0), то через диод Д1 или Д2 будет протекать ток. Падение на нем не равно нулю и может оказаться достаточным для открытия транзистора. Последствием чего может стать ложное срабатывание и на выходе вместо единицы мы получим ноль. А если в цепь включить Д3, то на нем упадет значительная часть напряжения открытого на входе диода, и на базу транзистора практически ничего не приходит. Поэтому он будет закрыт, а на выходе будет единица, что и требуется при наличии нуля на каком либо из входов. На рис. 5б и в показаны таблица истинности и схемное обозначение данного устройства.

Рис.5

Логические элементы получили широчайшее применение в электронике и микропроцессорной технике. Многие системы управления строятся с использованием именно этих устройств.

Логические схемы

Логические элементы, включая вентили, счетчики и запоминающие устройства, изготавливаются в виде интегральных модулей, или инте­гральных схем (ИС). Эти ИС разбивают на классы, называемые семей­ствами, по числу полупроводниковых приборов, содержащихся в одной ИС. В настоящее время существуют следующие семейства.

1.

ИС низкой степени интеграции

до 10 приборов.

2.

ИС средней степени интеграции

10-100 приборов.

3.

ИС большой степени интеграции, или большие ИС (БИС)

100-1000 приборов.

4.

ИС сверхбольшой степени интеграции, или сверхбольшие ИС (СБИС)

1000-10000 приборов.

5.

Ультрабольшие ИС (УБИС)

10000-100000 приборов.

Степень интеграции определяет сложность интегральной схемы. Ка­ждое следующее по сложности семейство характеризуется десятикрат­ным увеличением числа элементов по сравнению с предыдущим. К ИС низкой и средней степени интеграции относятся дискретные логические элементы, такие, как вентили, счетчики и регистры. БИС иСБИС используются в качестве запоминающих устройств, микропроцессоров и за­конченных систем, таких, как микрокомпьютеры.

Логические состояния

Логический элемент имеет два различных состояния: состояние логи­ческого 0, представляемое низким уровнем напряжения, обычно 0 В; и состояние логической 1. представляемое высоким уровнем напряжения (положительной полярности в случае положительной логики и отрица­тельной полярности в случае отрицательной логики). Уровень напряже­ния, который представляет логическую 1. зависит от используемого ти­па ИС. Для ИС, изготавливаемых по биполярной технологии, например для ПС ТТ, I (ИС на основе транзисторно-транзисторной логики), логи­ческой 1 соответствует напряжение 5 В, в то время как для ИС КМОП (ИС на комплементарных, или дополняющих, МОП-транзисторах) логи­ческая 1 может быть представлена напряжением в диапазоне от 3 до 15 В и выше. ИС ТТЛ имеют преимущество в быстродействии, а ИС КМОП позволяют реализовать более высокую степень интеграции компонентов

(т. е. позволяют разместить большее число логических элементов в одном интегральном модуле) и не требуют использования стабилизированных источников питания.

 

Транзисторно-транзисторные логические элементы (ТТЛ)

ТТЛ-элементы применяются в интегральных схемах и обеспечивают вы­сокую скорость переключения. На рис. 34.1 показана упрощенная схема логического элемента И-НЕ с многоэмиттерным транзистором T1 на вхо­де. Когда на обоих входах присутствует логический 0, транзистор T1 насыщен и напряжение на его коллекторе близко к 0 В. Следователь­но, транзистор T2 находится в состоянии отсечки, и на выходе мыимеем логическую 1. Когда на оба входа подается логическая 1, транзистор T1 закрывается и переключает транзистор T2 в состояние насыщения. В этом случае на выходе элемента мы имеем логический 0.

Рис. 34.1. Логический элемент И-НЕ (ТТЛ-типа). 

Логические элементы на полевых транзисторах

Логические схемы в настоящее время изготавливаются только в виде ин­тегральных схем. Огромное количество логических элементов можно раз­местить на мельчайшем кристалле (чипе) кремния размером 1х2 мм. В силу своей простоты полевые транзисторы применяются чаще, чем бипо­лярные транзисторы. Наиболее широко распространены логические эле­менты на основе так называемых КМОП-ячеек (здесь они не рассматри­ваются). На рис. 34.2 приведена схема логического элемента ИЛИ-НЕ на МОП-транзисторах, который работает на основе отрицательной логи­ки. В этой схеме T

1 и T2 — полевые МОП-транзисторы с каналом p-типа (работающие в режиме обогащения). Когда на обоих входах присутствует Уровень логического 0, транзисторы T1 и T2 находятся в состоянии отсеч­ки и на выходе мы имеем логическую 1 (-VDD= -20 В). Когда на один или на оба входа подается логическая 1 (например, -20 В), открываются один или оба транзистора и на выходе мы получаем логический 0.

Рис. 34.2.   Логический элемент                         Рис. 34.3.   Логический элемент на И-НЕ 

ИЛИ-НЕ на МОП-транзисторах.                                             МОП-транзисторах.        

 

На рис. 34.3 показана схема логического элемента И-НЕ на основе полевых МОП-транзисторов с каналом п-типа. Поскольку используется источник питания положительной полярности, данный логический эле­мент работает на основе положительной логики. Транзистор T3 постоян­но смещен в активную рабочую область напряжением VDD, подаваемым на затвор, и выполняет функцию активной нагрузки логического эле­мента. Когда на одном или на обоих входах присутствует логический 0, один или оба транзистора находятся в состоянии отсечки, выдавая ло­гическую 1 на выходе. Ток через транзисторы будет протекать только в том случае, когда на оба входа будет подана логическая 1, и только в этом случае мы получим на выходе логический 0.

Булевы выражения

Функции, реализуемые отдельным логическим элементом или комбина­цией логических элементов, могут быть выражены логическими форму­лами, называемыми булевыми выражениями. В булевой алгебре исполь­зуются следующие обозначения логических функций (см. табл. 34.1):

• Функция И обозначается символом точки (·). Двухвходовый (входы А и В) логический элемент И вырабатывает на выходе сигнал, предста­вляемый булевым выражением А · В.

• Функция ИЛИ обозначается символом (+). Двухвходовый логический элемент ИЛИ вырабатывает на выходе сигнал, представляемый буле­вым выражением А + В.

Таблица 34.1. Булевы выражения

Функция

Обозначение в булевой алгебре

И

А·В

или

А+В

 

НЕ

 

И-НЕ

 

ИЛИ-НЕ

 

Исключающее ИЛИ

 

Исключающее ИЛИ-НЕ

 

• Логическая функция НЕ обозначается символом черты над обозначе­нием входного сигнала. Логическая схема НЕ с одним входом А вы­рабатывает на выходе сигнал, представляемый булевым выражением  (читается «НЕ А»).

Через эти простые функции можно выразить более сложные:

 • Функция Н-НЕ записывается как .

Функция ИЛИ-НЕ записывается как .

• Функция Исключающее ИЛИ записывается как . Ее можно также записать, используя специальное обозначение, .

• Функция Исключающее ИЛИ-НЕ записывается как . Ее можно также записать, используя специальное обозначение, .

Комбинаторная логика

Рассмотрим логическую схему на рис. 34.4. Логическую функцию, вы­полняемую этой схемой, можно описать с помощью следующих булевых выражений.

Выходной сигнал логического элемента ИЛИ (i):

A + В

Выходной сигнал логического элемента И-ИЕ (ii):  

Выходной сигнал логического элемента ИЛИ (iii): (А + В) +

Пример 1

Обратимся к рис. 34.5.

а) Найдите булево выражение для логической функции изображенной ком­бинации логических элементов.

б) Составьте таблицу истинности, показывающую логические состояния во всех точках схемы, и докажите, что эту схему можно свести к одному логическому элементу.

Решение

а) Булево выражение для точки С = .

    Булево выражение для точки D= .

    Булево выражение для точки F = ·.

б) Таблица истинности

Входы

Точки

Выход

А

 

В

 

С

 

D

 

F

 

0

0

1

1

1

0

1

1

0

0

1

0

0

1

0

1

1

0

0

0

Как видно из таблицы истинности, приведенная комбинация логических эле­ментов эквивалентна логическому элементу ИЛИ-НЕ.

 

Пример 2                                         

Обратимся к рис. 34.6.                                                     

а) Найдите булево выражение для логической функции изображенной комбинации логических элементов.                                    

б) Составьте таблицу истинности, показывающую логические состояния во всех точках схемы, и докажите, что эту схему можно свести к одному  логическому элементу.  

                                          

                          

                                            

Решение

а) Булево выражение для точки С = .

    Булево выражение для точки D = .

    Булево выражение для точки F =  +.

6) Таблица истинности

Входы

Точки

Выход

А

 

В

 

С

 

D

 

F

 

0

0

1

1

1

0

1

1

0

1

1

0

0

1

1

1

1

0

0

0

Как видно из таблицы истинности, приведенная комбинация логических эле­ментов эквивалентна логическому элементу И-НЕ.

Счетчики

Функцию счета в двоичном счетчике выполняет бистабильный мульти­вибратор, или делитель на 2, чаще называемый триггером. Цепочка из нескольких таких триггеров образует счетчик. На рис. 34.7 показан двоичный счетчик, состоящий из трех триггеров. Каждый триггер делит частоту поступающих импульсов на 2. Таким образом, два последовательных триггера обеспечивают деление на 4 (2 · 2), а три триггера – на 8 (2 · 2 · 2). Другими словами, на каждые восемь входных импульсов на выходе А появятся четыре импульса, на выходе В — два импульса и на выходе С — один импульс (рис. 34.7).

Как уже говорилось в гл. 32, бистабильный мультивибратор изменя­ет свое состояние только во время действия одного из фронтов входного импульса. Уровень входного импульса изменяется от 0 к 1 и обратно к 0, и так для каждого приходящего импульса. Обычно предполагается, что состояние триггера изменяется при приходе отрицательного фронта импульса (т. е. при переходе от 1 к 0).

Сигнал на выходе QА  триггера А соответствует 20, или столбцу «еди­ниц» в табл. 34.2, сигнал на выходе QB— 21, или столбцу «двоек», и наконец, сигнал на выходе QC — 22, или столбцу «четверок». После по­ступления 6 импульсов на вход счетчика он оказывается в следующем состоянии: А (число единиц) = 0, В (число двоек) = 1. С (число четве­рок) = 1; это состояние соответствует десятичному числу 6 (0 + 2 + 4).

Рис. 34.7. Двоичный счетчик на трех триггерах.

Таблица 34.2

Импульс

QА

единицы (20)

QB

двойки (21)

QC

четверки (22)

0

0

0

0

1

1

0

0

2

0

1

0

3

1

1

0

4

0

0

1

5

1

0

1

6

0

1

1

7

1

1

1

8

0

0

0

В двоичном исчислении это число записывается как 110 при порядке сле­дования двоичных разрядов СВА. Обратите внимание, что в счетчике дво­ичному разряду единиц соответствует выход первого триггера, начиная от входа счетчика, а в двоичном числе разряд единиц всегда является самым правым разрядом.

Когда приходит седьмой импульс, на всех выходах счетчика устана­вливается 1. Восьмой импульс сбрасывает все триггеры в 0. Еще раз отметим, что выходной сигнал каждого триггера представляет столбец в таблице двоичного кода. Сам двоичный код записывается в порядке СВА.

Обратная связь

Обратная связь вводится в двоичных счетчиках для изменения коэффи­циента деления частоты входного сигнала. Для примера рассмотрим дей­ствие обратной связи в счетчике на рис. 34.8(а), состоящем из трех триг­геров. Процесс счета происходит обычным образом до прихода третьего импульса, когда счетчик находится в состоянии 011 (см. табл. 34.3).

Рис. 34.8. (а) Счетчик-делитель на 6 с обратной связью, охватывающей триг­геры В и С.

(б) Замена петли обратной связи эквивалентным модулем деления на 3.

Таблица 34.3

Импульс

QА

QB

QC

0

0

0

0

1

1

0

0

2

0

1

0

3

1

1

0

Обратная связь

(0)

(0)

(1)

4

0

1

1

5

1

1

1

6

0

0

0

Четвертый импульс переключает сигнал на выходах А и В к 0 и на выходе С к 1. В отсутствие обратной связи счетчик переключился бы в состо­яние 100. Однако при включении обратной связи изменение сигнала на выходе С передается на вход триггера В, возвращая его выходной сигнал обратно к 1. Счетчик окажется в состоянии 110. Пятый импульс переключит все выходы к 1, и шестой импульс сбросит все триггеры в 0, т. е. получился счетчик-делитель на 6.

Вообще, можно показать, что петля обратной связи уменьшает коэф­фициент деления триггеров внутри петли на 1. В предыдущем примере внутри петли обратной связи находились триггеры В и С. Без обратной связи они осуществляли деление на 4. С обратной связью триггеры В и С образуют блок деления на 3 (= 4 – 1), как показано на рис. 34.8(б). С уче­том триггера А вне петли обратной связи полный коэффициент деления счетчика равен    6 (= 2 · 3).

 

Десятичный счетчик

На рис. 34.9(а) изображена схема десятичного счетчика с двумя петлями обратной связи. Обратной связью охвачены : 1) блок 1, включающий триггеры С и D и обеспечивающий деление на 3 (= 4 – 1), и 2) блок 2, включающий блок 1 и триггер В. Из рис. 34.9(б) видно, что без обратной связи блок 2 делил бы на 6 (= 2 · 3). С обратной связью его коэффициент деления равен 5 (= 6 – 1). С учетом триггера А, не охваченного обратной связью, полный коэффициент деления счетчика равен 10 (= 2 · 5).

 

Регистр сдвига

Для передачи данных из одной части системы, например компьютера, в другую можно использовать два метода. Первый, более быстрый, заклю­чается в одновременной передаче всех разрядов. При этом для передачи восьми разрядов требуется восемь отдельных линий. Для передачи ин­формации на расстояния в несколько метров этот метод вполне пригоден, но при передаче на большие расстояния, например между городами, он становится слишком дорогим. В этом случае применяется второй, более медленный метод: данные передаются последовательно разряд за раз­рядом по одному проводу. Для одновременного сдвига всех двоичных разрядов влево или вправо применяется регистр сдвига. Он состоит из нескольких триггеров, способных передвигать двоичные разряды в после­довательном порядке.

Рис. 34.9. Десятичный счетчик (а) и его представление в виде эквивалентных модулей (б).

Кольцевой счетчик

Кольцевой счетчик — это обычный счетчик, составленный из нескольких триггеров, в котором выходной сигнал подается обратно на вход, отсюда и происходит его название. Импульсы циркулируют по счетчику от вхо­да к выходу и обратно на вход. В конце каждого цикла выходной сигнал кольцевого счетчика можно снять для переключения другого счетчика. Например, выходной сигнал десятичного, или декадного, счетчика можно использовать для переключения еще одного декадного счетчика, обеспе­чивая тем самым коэффициент пересчета, равный 100.

Фиксатор (триггер-защелка)

В гл. 32 рассматривались бистабильные мультивибраторы, или триггеры, построенные на дискретных компонентах. Триггеры — очень важные и нужные базовые элементы логических устройств. Они применяются в качестве делителей на 2, фиксаторов (одноразрядные ячейки памяти) и для других целей.

Базовый триггер, называемый RS-триггером, или триггером-защелкой, показан на рис. 34.10. Два выходных сигнала, снимаемые с выходов Q и  (НЕ Q), находятся в противофазе друг к другу. Если Q = 1, то  = 0, и наоборот. Таблица истинности для RS-триггера приведена на рис. 34.10(в). При подаче логической 1 на вход R (Reset сброс) на вы­ходе Q устанавливается уровень логического 0 (и уровень логической 1 на выходе ), при подаче логической 1 на вход S (Set установка) на выходе Q устанавливается уровень логической 1 (и уровень логического 0 на выходе ).

S

R

 

0

0

Без изменений

0

1

  1. 0     1     (Сброс)

1

0

  1. 1     0     (Установка)

1

1

Неопределенное состояние

(в)

Более сложным устройством по сравнению с простым RS-триггером является тактируемый JK-триггер, в котором имеется тактовый вход и отсутствует неопределенное состояние (рис. 34.11). Тактовый вход важен для синхронных систем, в которых переключение триггеров происходит лишь тогда, когда на тактовый вход подается логическая 1. При установ­ке логической 1 на обоих входах J и К триггера его выход переключается из уровня логического 0 в логическую 1 при поступлении каждого такто­вого импульса.

Тактовый вход

J 

 

К

 

  1. Q             

0

X

X

Без изменений

1

0

0

Без изменений

1

0

1

  1. 1

1

1

0

  1. 0

1

1

1

Переключение

                                         

 

 

                                                  (а)                                                           (б)

Рис. 34.11. Условное обозначение (а) и таблица истинности (б) JK-триггера.

Логические элементы в виде ИС

Логические элементы изготавливаются в виде интегральных схем и вы­пускаются в виде модулей, содержащих большое число идентичных эле­ментов на одном модуле (чипе). Известны два основных типа ИС: ИС ТТЛ и ИС КМОП. Примеры ИС ТТЛ приведены на рис. 34.12.

Рис. 34.12.

В этом видео рассказывается о элементах транзисторно-транзисторной логики:

Добавить комментарий

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.

Базовые элементы

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.

Инвертор. На рис. 3, а представлена схема электронного ключа на биполярном транзисторе, реализующая логическую функцию «НЕ» (отрицание), а на рис. 3, б - его условное обозначение. При подаче на вход схемы сигнала низкого уровня (логического «0») транзистор будет заперт, т.е. ток через него проходить не будет, и на выходе будет сигнал высокого уровня (напряжение источника питания Еп, логическая «1»). Если же на вход схемы подать сигнал высокого уровня (логическую «1»), то транзистор «откроется», начнет пропускать электрический ток. На его выходе за счет падения напряжения на сопротивлении нагрузки Rн установится напряжение низкого уровня (логический «0»). Таким образом, схема преобразует (инвертирует) сигналы одного уровня в другой, тем самым выполняя логическую функцию «НЕ».

Вентиль На рис. 4,а изображена схема вентиля на биполярных транзисторах, реализующего логическую функцию «И», а на рис. 4,б – его условное обозначение. Функция «И» - логическое умножение, ее результат С равен единице, когда оба аргумента, и А, и В, равны единице.

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.

На рис. 5, а приведена схема вентиля на биполярных транзисторах, реализующего логическую функцию «ИЛИ», а на рис. 5, б дано его условное обозначение. Функция «ИЛИ» - логическое сложение, ее результат С равен единице, если хотя бы один из аргументов равен единице.

Здесь транзисторы включены параллельно друг другу. Если оба закрыты, то их общее сопротивление велико и на выходе будет сигнал низкого уровня (логический «0»).Достаточно подать сигнал высокого уровня (логическую «1») на один из транзисторов, как схема начнет пропускать ток и на сопротивлении нагрузки установится также сигнал высокого уровня (логическая «1»).

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, в течение которого входной сигнал S=1 достигнет выхода вентиля, состояние выхода `Q изменится с «1» на «0». Теперь на входы второго вентиля будет действовать новая пара сигналов: «0» на вход R и «0» с выхода `Q. Следовательно, еще через Dt на выходе этого вентиля возникнет инвертированный сигнал «0», т. е. «1». Таким образом, через время 2Dt после подачи входного сигнала S=1 на выходе Q триггера логический «0» изменится на логическую «1». Следующее переключение триггера произойдет, если на вход R подать сигнал высокого уровня, и т. д. Триггер может работать бесперебойно лишь с периодом, не меньшим 4Dt.  В современных транзисторных вентилях Dt составляет единицы наносекунд (10-9 с), поэтому быстродействие электронных элементов вычислительных устройств очень большое, достигающее сотен миллионов переключений в секунду.

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


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.


Рис. 16.1. Базовый элемент И-НЕ на ТТЛ

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).


Рис. 16.3. Логический элемент НЕ на ТТЛ

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.


Рис. 16.4. Базовый элемент И-НЕ на ТТЛ с открытым коллектором

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


Рис. 16.5. Базовый элемент И-НЕ на ТТЛ с активной нагрузкой

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.


Рис. 16.6. Базовый элемент И-НЕ на ТТЛ с выходом на три состояния

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.


Рис. 16.7. Логический элемент И-НЕ nМОП-технологии

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.


Рис. 16.8. Логический элемент ИЛИ-НЕ nМОП-технологии

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


Рис. 16.9. Логический элемент НЕ nМОП-технологии

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:

uвых= 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 uвх1и uвх2 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 Uоп. Изменение входного напряжения uвх1 приводит к перераспределению постоянного тока iэ0, заданного сопротивлением Rэ 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 uимеют высокий уровень, то открывается один или оба транзистора Т1 и Т2 и на выходе устанавливается низкий уровень напряжения, т. е. реализуется функция uвых= u1 + u2.

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 uимеют высокий уровень, превышающий Uзи. 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 uвых= u1+uи 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 uвых соответствует логическому нулю. Если на обоих входах логические сигналы «0», то напряжение uвых 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.

Логический элемент 2И-НЕ и его характеристики

 

1.2.  Логический элемент 2И-НЕ и его характеристики

 

Широкое распространение получили логические элементы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Рассмотрим принципиальную схему логического элемента 2И-НЕ  транзисторно-транзисторной логики со сложным  инвертором на выходе. Такие логические элементы имеют хорошую нагрузочную способность.

 

 

На рисунке 1.14,а приведена принципиальная схема одного из четырех логических элементов 2И-НЕ микросхемы К134ЛБ1, а на рисунке 1.14,б – условное обозначение этой микросхемы на принципиальных схемах. 

На рисунках  1.15,а и 1.15,в приведены принципиальные схемы логических элементов 2И-НЕ соответственно для микросхем К133ЛА3 и К155ЛА3. Каждая их этих микросхем имеет по 4 логических элемента 2И-НЕ, а их условные обозначения на принципиальных схемах совпадают (рис. 1.15,б).

Первые логические элементы ТТЛ не имели на входах защитных диодов. В момент окончания прямоугольного импульса на входе элемента в монтажных цепях цифрового устройства могут возникнуть затухающие колебания. Следствием этих колебаний может быть ложное срабатывание цифрового устройства. В результате доработки  логических элементов к каждому входу многоэмиттерного

транзистора были подключены демпфирующие диоды. Первым отрицательным импульсом затухающего колебания демпфирующий диод открывается, и амплитуда затухающих колебаний резко уменьшается. Следующий положительный импульс затухающего колебания уже не может изменить состояние на выходе логического элемента.

Резисторы R4, R5 и транзистор VT5 в логическом элементе 2И-НЕ микросхемы К155ЛА3 (рис. 1.15,в) позволяют получить передаточную характеристику, более близкую к прямоугольной. Это повышает помехозащищенность в состоянии логической единицы на выходе элемента.

Рассмотрим работу логического элемента 2И-НЕ микросхемы К134ЛБ1 (рис. 1.14,а). Для логических элементов транзисторно-транзисторной логики напряжение логического нуля по техническим условиям может быть 0-0,4 В. Напряжение логической единицы - не менее 2,4 В и не более 5 В. Напряжение логического нуля можно подать, соединив вход элемента с общим проводом накоротко, либо через резистор малого сопротивления (не более 300 Ом). Напряжение логической единицы на вход элемента можно подать, соединив вход элемента с плюсовым проводом  питания через резистор сопротивлением  1 Ком, либо оставляя вход элемента свободным.

Пусть на входы Х1 и Х2  элемента 2И-НЕ (рис. 1.14,а) поданы напряжения логической единицы. Рассмотрим случай, когда  Х1 и Х2 никуда не подключены. В этом случае транзисторы VТ2, VТ4 будут открыты токами базы, протекающими по цепи: + источника, резистор R1, переход база-коллектор VТ1, база-эмиттер VТ2, база-эмиттер VТ4, минус источника. Транзистор VТ3 в этом случае закрыт, т.к. потенциал коллектора  транзистора VT2 примерно 0,9 В.

Рассмотрим делитель напряжения, верхнее плечо которого состоит из последовательно соединенных резистора R3, выводов коллектор-эмиттер транзистора VТ3, диода VД1, а нижнее плечо делителя – это выводы коллектор-эмиттер VТ4. В рассматриваемом случае сопротивление верхней части делителя велико, а сопротивление нижней части делителя - мало. Выходное напряжение соответствует логическому нулю.

Если хотя бы на одном из входов Х1, Х2 действует логический нуль, то VТ2, VТ4 закрыты, а  VТ3 открыт. Ток базы транзистора VT3 протекает по цепи: плюс источника питания, резистор R2, переход база-эмиттер транзистора VT3, полупроводниковый диод VD1, резистор нагрузки (на схеме не показан), минус источника питания. В этом случае сопротивление  между коллектором транзистора VT3 и катодом диода VD1 мало, а сопротивление между коллектором и эмиттером транзистора VT4 велико. Анализируя делитель напряжения, приходим к выводу, что выходное напряжение логического элемента будет соответствовать логической единице.

В вычислительной технике широко применяется устройство с тремя состояниями на выходе. Рассмотрим логический элемент НЕ (инвертор) с тремя состояниями  на выходе (рис. 1.16,а). Указанный инвертор легко получается из схемы базового логического элемента 2И-НЕ путем добавления в схему VД2.

 

Если на вход разрешения  V микросхемы подано напряжение логической «1», то диод VД2 оказывается отключенным от схемы, и данный элемент можно рассматривать как  логический  элемент НЕ. Если на входе Х логическая единица, то транзисторы VT2, VT4 будут открыты, транзистор VT3 закрыт и на выходе элемента будет сигнал логического нуля. Подадим на вход Х сигнал логического нуля. В этом случае транзисторы VT2, VT4 будут закрыты, транзистор VT3 открыт и на выходе элемента будет сигнал логической единицы.

Подадим на вход V напряжение логического «0» , в этом случае  окажутся  закрытыми  VТ2, VТ3, VТ4. Выход Y оказывается отключенным как от плюсового,  так и от минусового проводов источника питания. Говорят, что выход элемента находится в третьем высокоимпедансном состоянии (состояние высокого сопротивления, как от клеммы «+», так и от клеммы «-»  источника питания). Элементы с тремя состояниями позволяют организовать в компьютерных системах так называемую общую шину.

Элементы с тремя состояниями входят в состав шинных формирователей. Шинные формирователи  это устройства, которые обеспечивают передачу сигнала в двух направлениях  по одному и тому же проводу. В составе шинного формирователя на каждую линию потребуется 2 элемента с тремя состояниями на выходе.

На рисунке 1.16,б приведена схема логического элемента 2И-НЕ с открытым коллектором на выходе. Выходы нескольких таких элементов подключаются к одному резистору нагрузки, второй вывод которого подключен к плюсовому проводу источника питания.

На рисунке 1.17,а приведена схема подключения приборов для снятия зависимости выходного напряжения логического элемента от тока нагрузки в состоянии логической единицы на выходе элемента, а на рисунке 1.18,а – график этой зависимости. Логические элементы ТТЛ не выходят из строя при коротком замыкании нагрузки для случая логической единицы на выходе элемента, поэтому в цепи нагрузки нет необходимости ставить ограничительный резистор. Если на выходе элемента логический нуль, то при исследовании зависимости выходного напряжения от тока нагрузки необходимо в цепи нагрузки устанавливать ограничительный резистор. 

На рисунке 1.17,б приведена схема подключения приборов для снятия зависимости выходного напряжения логического элемента от тока нагрузки в состоянии логического нуля на выходе элемента, а на рисунке 1. 18,б – график этой зависимости. Сопротивление ограничительного резистора в цепи нагрузки выбирают примерно таким же, как сопротивление резистора R3 в логическом элементе 2И-НЕ (рисунок 1.15,в), т.е. примерно 100 Ом.  

По графикам, приведенным на рисунке 1.18 можно определить коэффициент разветвления или нагрузочную способность логического элемента. По графику рисунка 1.18,а найдем ток нагрузки при выходном напряжении 2,4 В. Зная, что входной ток логической единицы 40 мкА, определим, сколько таких элементов можно подключить в состоянии логической единицы на выходе данного элемента. По рисунку 1.18,б определим ток нагрузки в состоянии логического нуля на выходе элемента при напряжении 0,4 В. Зная, что входной ток логического нуля минус 1,6 мА, определим, сколько таких элементов можно подключить в состоянии логического нуля на выходе данного элемента. Наименьшее из двух полученных значений будет являться коэффициентом разветвления логического элемента. Определение коэффициента разветвления таким способом будет справедливо только для низких частот, когда влиянием входных емкостей элементов и емкости монтажа можно пренебречь.

  

На рисунке 1.19,а приведена схема для наблюдения на экране осциллографа зависимости выходного напряжения элемента от напряжения на его входе, а на рисунке 1.19,б – график этой зависимости для логического элемента 2И-НЕ ТТЛ. Диод VD1 может быть любым кремниевым малой мощности, т.к. обратное напряжение в данной схеме не превысит 5 В, а ток через диод в прямом направлении выбирается единицы миллиампер. Амплитуда переменного напряжения  на выходе источника переменного напряжения не должна превышать 10 В. График  зависимости  выходного напряжения  элемента от напряжения

на его входе называется передаточной характеристикой логического элемента. Из графика передаточной характеристики логического элемента 2И-НЕ видно, что при входных напряжениях менее 0,4 В на выходе элемента напряжение логической единицы, а при входных напряжениях более 2,4 В на выходе элемента напряжение логического нуля. Реально в логическом элементе входное напряжение логического нуля может быть больше 0,4 В, а напряжение логической единицы меньше 2,4 В. Однако, выбирать такой режим работы элемента нецелесообразно, т.к. уменьшается помехоустойчивость логического элемента.

На рисунке 1.20 приведена входная характеристика логического элемента 2И-НЕ, снятая по одному из входов элемента. На втором входе элемента напряжение логической единицы. Точка а на графике входной характеристики соответствует входному напряжению 2,4 В, а точка б – входному напряжению 0,4 В. Входной ток логической единицы не превышает 40 мкА, а входной ток логического нуля менее –1,6 мА. Знак минус означает, что ток вытекает из микросхемы.

На рисунке 1.21,а приведена схема подключения приборов для наблюдения на экране осциллографа зависимости выходного напряжения от тока нагрузки для случая, когда на выходе элемента логическая единица. Ограничительный резистор в цепи нагрузки не предусмотрен, т.к. исследуется логический элемент 2И-НЕ в состоянии логической единицы на выходе. В качестве источника U2 используется В24, с клемм «+» и «–» которого снимается пульсирующее с частотой 100 Гц напряжение. Сопротивление резистора  Rэт выбирают как можно меньше (коэффициент отклонения по каналу Х осциллографа должен быть минимальным). Если чувствительность канала Х осциллографа недостаточна, то на вход Х можно подключить предварительный усилитель. Схема усилителя к входу Х осциллографа ОМЛ-3М приведена на рисунке 1.22.

Для питания усилителя используют переменное напряжение 12 вольт. Сопротивление резистора R1 выбирают значительно больше сопротивления эталонного резистора Rэт. Выход предварительного усилителя подключают к входу «Х» осциллографа. Переменным резистором R5 проводят балансировку микросхемы DA1 при отсутствии входного сигнала. Необходимый коэффициент отклонения луча по оси Х устанавливают переменным резистором R4. Стабилитроны VD1 и VD2 выбирают с учетом того, что необходимо обеспечить перемещение луча по оси «Х» из одного крайнего положения экрана в другое при изменении постоянного напряжения на входе усилителя от 0 до максимально возможного. Расчет сопротивлений резисторов R6, R7 параметрического стабилизатора напряжения проводился с учетом того, что для питания усилителя используется  переменное напряжение 12 вольт и выбраны стабилитроны КС156А.

На рисунке 1.21,б приведена схема подключения приборов для наблюдения на экране осциллографа зависимости выходного напряжения от тока нагрузки для случая, когда на выходе элемента логическая нуль. На транзисторах VT1 и VT2 собрано токовое зеркало. Особенностью работы токового зеркала является то, что коллекторные токи обоих транзисторов одинаковы и в определенных пределах не зависят от сопротивлений нагрузок. Значения коллекторных токов определяются напряжением на резисторе R2 и сопротивлениями резисторов R1 и R3. Сопротивления резисторов R1 и R3 обычно выбирают одинаковыми. Сопротивление эталонного резистора в данной схеме не обязательно должно быть малым. Транзисторы VT1, VT2 должны иметь примерно одинаковый и достаточно большой коэффициент усиления по току.

В цифровых устройствах на входах логических элементов обычно присутствуют прямоугольные импульсы напряжения. Пусть напряжение на обоих входах логического элемента 2И-НЕ микросхемы К155ЛА3 скачком изменилось с высокого уровня на низкий (рис. 1.15,в).   В этом случае транзистор VT3начнет открываться, а транзистор VT4 – закрываться. Транзисторы открываются быстрее, чем закрываются. Поэтому в течение некоторого промежутка времени будут открыты транзисторы VT3 и VT4. Ток, потребляемый логическим элементом от источника питания, ограничивается только резистором R3. Указанный ток короткого замыкания приводит к увеличению потребляемой мощности в динамическом режиме. График зависимости потребляемой от источника питания мощности от частоты прямоугольных импульсов на входе приведен на рисунке 1.23.

 

 

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 элементы AND, OR, NOT являются основными воротами, а ворота NOR и NAND 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 логический элемент И с использованием транзистора и логический элемент ИЛИ с использованием транзистора, после чего в этой статье мы построим элемент НЕ с использованием транзистора BJT .Прежде чем мы начнем, давайте разберемся с основами работы НЕ затвора и транзисторов.

NOT Gate: основы и работа Элемент

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.

Транзистор - основы и работа

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> 0,6 В), 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.

Принципиальная схема

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 хочу подать 9 мА на светодиод, поэтому я использовал 100 Ом для ограничения тока. Этот 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.

Случай 2: -

Когда переключатель находится в состоянии ВКЛ, 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.

Транзисторные схемы

| Клуб электроники

Транзисторные схемы | Клуб электроники

Типы | Токи | Функциональная модель | Использовать как переключатель | Выход IC | Датчики | Инвертор | Дарлингтон пара

Следующая страница: Емкость

См. Также: Транзисторы

На этой странице объясняется работа транзисторов в простых схемах, в основном их использование в качестве переключателей.Практические вопросы, такие как тестирование, меры предосторожности при пайке и идентификация выводов, включены в страница транзисторов.

Типы транзисторов

Есть два типа стандартных (биполярных) транзисторов, NPN и PNP , с разными обозначениями схем. Буквы относятся к слоям полупроводникового материала, из которых изготовлен транзистор. Большинство используемых сегодня транзисторов являются NPN-транзисторами, потому что их проще всего сделать из кремния. Эта страница в основном посвящена транзисторам NPN, и новичкам следует сначала сосредоточиться на этом типе.

Выводы имеют маркировку база (B), коллектор (C) и эмиттер (E). Эти термины относятся к внутренней работе транзистора, но их не так много. Помогите понять, как используется транзистор, поэтому относитесь к ним как к ярлыкам.

Обозначения схем транзисторов

Пара Дарлингтона - это два транзистора, соединенных вместе. чтобы дать очень высокий коэффициент усиления по току.

Помимо стандартных (биполярный переход) транзисторов, есть полевых транзисторов , которые обычно обозначаются как FET s. У них разные символы схем и свойства, и они не рассматриваются на этой странице.

Rapid Electronics: транзисторы


Токи транзисторов

На схеме показаны два пути тока через транзистор.

Малый базовый ток управляет большим током коллектора .

Когда переключатель замкнут небольшой ток течет в основание (B) транзистор. Этого достаточно, чтобы светодиод B тускло светился.Транзистор усиливает этот небольшой ток, чтобы позволить большему току течь через его коллектор (C) к его эмиттеру (E). Этот ток коллектора достаточно велик, чтобы светодиод C светился ярко.

Когда переключатель разомкнут базовый ток не течет, поэтому транзистор отключается коллекторный ток. Оба светодиода выключены.

Вы можете построить эту схему с двумя стандартными 5-миллиметровыми красными светодиодами и любым универсальным маломощным Транзистор NPN (например, BC108, BC182 или BC548). Это хороший способ проверить транзистор и убедиться, что он работает.

Транзистор усиливает ток и может использоваться как переключатель, как описано на этой странице.

С подходящими резисторами (и конденсаторами для переменного тока) транзистор может усиливать напряжение, такое как аудиосигнал. но это еще не рассматривается на этом веб-сайте.

Режим общего эмиттера

Это устройство, в котором эмиттер (E) находится в цепи управления (базовый ток) а в управляемой цепи (коллекторный ток) называется общим эмиттерным режимом .Это наиболее широко используемая схема транзисторов, поэтому ее нужно изучить в первую очередь.



Функциональная модель NPN-транзистора

Функционирование транзистора сложно объяснить и понять с точки зрения его внутренней структуры. Более полезно использовать эту функциональную модель.

  • Переход база-эмиттер ведет себя как диод.
  • A базовый ток I B протекает только при напряжении V BE через переход база-эмиттер равен 0. 7В или больше.
  • Ток малой базы I B управляет током большого коллектора Ic варьируя сопротивление R CE .
  • Ic = h FE × I B (если транзистор не открыт и не насыщен). h FE - коэффициент усиления по току (строго по постоянному току), Типичное значение для h FE равно 100 (это отношение, поэтому у него нет единиц измерения).
  • Сопротивление коллектор-эмиттер R CE регулируется током базы I B :
    I B = 0 , R CE = бесконечность, транзистор выключен
    I B малый , R CE уменьшенный, транзистор частично включен
    I B увеличено , R CE = 0, транзистор полностью открыт («насыщен»)
Дополнительные примечания:
  • Базовый ток I B должен быть ограничен, чтобы предотвратить повреждение транзистора. и резистор может быть подключен последовательно с базой.
  • Транзисторы имеют максимальный номинальный ток коллектора Ic.
  • Коэффициент усиления по току h FE может широко варьироваться , даже для однотипных транзисторов!
  • Транзистор, заполненный на на (с R CE = 0), называется « насыщенный ».
  • Когда транзистор насыщен, напряжение коллектор-эмиттер В CE снижается почти до 0В.
  • Когда транзистор насыщается, определяется ток коллектора Ic. напряжением питания и внешним сопротивлением в цепи коллектора, а не коэффициент усиления транзистора по току.В результате соотношение Ic / I B для насыщенного транзистора коэффициент усиления по току меньше FE .
  • Ток эмиттера I E = Ic + I B , но Ic намного больше, чем I B , поэтому примерно I E = Ic.

Использование транзистора в качестве переключателя

Когда транзистор используется в качестве переключателя, он должен быть либо ВЫКЛ. , либо полностью ВКЛЮЧЕННЫМ . Он никогда не должен быть включен частично (со значительным сопротивлением между C и E), потому что в В этом состоянии транзистор может перегреться и выйти из строя.

В полностью открытом состоянии напряжение V CE на транзисторе почти равно нулю, и транзистор находится в считается насыщенным , потому что он больше не может пропускать ток коллектора Ic.

Устройство, переключаемое транзистором, называется нагрузкой .

При выборе транзистора для использования в качестве переключателя необходимо учитывать его максимальный ток коллектора. Ic (макс.) и его минимальное усиление по току ч FE (мин.) . Номинальное напряжение транзистора может быть проигнорировано для напряжения питания менее 15 В.

Технические данные транзистора

Большинство поставщиков предоставляют данные о транзисторах, которые они продают, например Быстрая электроника.

Мощность, развиваемая переключающим транзистором, должна быть очень маленькой

Мощность, развиваемая в транзисторе, отображается как тепла , и транзистор будет разрушен, если станет слишком горячим. Это не должно быть проблемой для транзистора, используемого в качестве переключателя, если он был выбран и настроен правильно, потому что мощность, развиваемая внутри него, будет очень маленькой.

Мощность (тепло), развиваемая в транзисторе:

Мощность = Ic × V CE

  • Когда ВЫКЛ. : Ic равно нулю, поэтому мощность равна нулю .
  • Когда полный ВКЛ : V CE почти равен нулю, поэтому мощность очень мала .
Может ли реле быть лучше транзисторного переключателя?

Транзисторы не могут переключать переменный ток или высокое напряжение (например, электросеть), и они обычно не лучший выбор для коммутации больших токов (> 5A). Реле подходят для всех этих ситуаций, но учтите, что для переключения тока катушки реле может все же потребоваться маломощный транзистор. Для получения дополнительной информации, включая преимущества и недостатки, см. страницу реле.

Защитный диод для нагрузок с катушкой, таких как реле и двигатели

Если транзистор переключает нагрузку с помощью катушки, такой как двигатель или реле, диод должен быть подключен к нагрузке, чтобы защитить транзистор от кратковременное высокое напряжение, возникающее при отключении нагрузки.

На схеме показано, как защитный диод подключен к нагрузке «в обратном направлении», в данном случае катушка реле.

Для этого подходит сигнальный диод типа 1N4148.

Зачем нужен защитный диод?

Ток, протекающий через катушку, создает магнитное поле, которое внезапно схлопывается. при отключении тока. Внезапный коллапс магнитного поля вызывает кратковременное высокое напряжение на катушке, которое может повредить транзисторы и микросхемы. Защитный диод позволяет индуцированному напряжению пропускать кратковременный ток через катушку. (и диод), поэтому магнитное поле исчезает быстро, а не мгновенно. Это предотвращает индуцированное напряжение становится достаточно высоким, чтобы вызвать повреждение транзисторов и микросхем.


Подключение транзистора к выходу включения / выключения цифровой ИС

Большинство ИС не могут обеспечивать большие выходные токи, поэтому может потребоваться использование транзистора. для переключения большего тока, необходимого для таких устройств, как лампы, двигатели и реле.Микросхема таймера 555 необычна тем, что может обеспечивать относительно большой ток до 200 мА, Достаточно для многих реле и других нагрузок без транзистора.

Базовый резистор ограничивает ток, протекающий в базу транзистора, чтобы предотвратить его повреждение. но он также должен пропускать достаточный базовый ток, чтобы транзистор был полностью насыщен. при включении.

Транзистор, который не полностью насыщен при включении, может перегреться и выйти из строя. особенно если транзистор переключает большой ток (> 100 мА).

В следующем разделе объясняется, как выбрать транзистор и базовый резистор для обеспечения полного насыщения.

Переключение нагрузки с другим напряжением питания

Транзистор может использоваться для включения ИС, подключенной к источнику низкого напряжения (например, 5 В) для переключения тока нагрузки с отдельным источником постоянного тока (например, 12 В).

Два источника питания должны быть связаны. Обычно их соединения 0 В связаны и транзистор NPN используется на выходе IC. Однако, если на выходе ИС используется транзистор PNP, положительные (+) соединения вместо этого должны быть связаны.

Выбор транзистора и базового резистора для цифрового выхода ИМС

Следуйте этому пошаговому руководству, чтобы выбрать подходящий транзистор для подключения к выходу включения / выключения. цифровой ИС (логический вентиль, счетчик, PIC, микроконтроллер и т. д.) для переключения нагрузки, такой как лампа, двигатель или реле. Данные о транзисторах можно получить у большинства поставщиков, например см. Быстрая электроника.

1. Выберите правильный тип транзистора, NPN или PNP

Вы хотите, чтобы нагрузка включалась, когда выход IC высокий? Или когда он или низкий?

  • Для включения, когда на выходе IC высокий , используйте NPN-транзистор .
  • Для включения, когда на выходе IC низкий уровень , используйте транзистор PNP .

Транзисторы NPN и PNP подключаются по-разному, как показано на схемах ниже, но Расчеты и требуемые свойства одинаковы для обоих типов транзисторов.

Транзисторный переключатель NPN
нагрузка включена, когда выход IC высокий

Транзисторный переключатель PNP
нагрузка включена, когда выход IC низкий

2.Узнайте напряжение питания и характеристики нагрузки.

Для определения требуемых свойств транзистора вам необходимо знать следующие значения:

  • Vs = напряжение питания нагрузки.
  • R L = сопротивление нагрузки (например, сопротивление катушки реле).
  • Ic = ток нагрузки (= Vs / R L ).
  • Максимальный выходной ток микросхемы - см. Техническое описание микросхемы. Если вы не можете найти эту информацию, примите низкое значение, например 5 мА.
  • Vc = напряжение питания IC (обычно это Vs, но оно будет другим, если IC и нагрузка имеют отдельные источники питания).

Примечание: не путайте IC (интегральная схема) с Ic (ток коллектора).

3. Определить требуемые свойства транзистора

Выберите транзистор правильного типа (NPN или PNP из шага 1), чтобы удовлетворить следующие требования:

  • Максимальный ток коллектора транзистора Ic (max) должен быть больше тока нагрузки:
    Ic (max)> напряжение питания Vs
    сопротивление нагрузки R L
  • Минимальный коэффициент усиления по току транзистора h FE (мин) должен быть не менее 5 умноженный на ток нагрузки Ic, деленный на максимальный выходной ток IC.
    ч FE (мин)> 5 × ток нагрузки Ic
    макс. Ток IC
4. Определите значение для базового резистора R
B

Базовый резистор (R B ) должен пропускать ток, достаточный для обеспечения нормальной работы транзистора. полностью насыщен при включении, и хорошо бы увеличить ток базы (I B ) примерно в пять раз значение, которое просто насыщает транзистор.Воспользуйтесь приведенной ниже формулой, чтобы найти подходящее сопротивление для R B и выбрать ближайшее стандартное значение.

R B = 0,2 × R L × h FE (см. Примечание)

Примечание: Если ИС и нагрузка имеют разные напряжения питания, например 5 В для ИС но 12 В для нагрузки используйте формулу ниже для R B :

R B = Vc × h FE , где Vc - напряжение питания
IC
5 × Ic
5.
Проверьте, нужен ли вам защитный диод

Если включаемой и выключаемой нагрузкой является двигатель, реле или соленоид (или любое другое устройство с катушкой): диод должен быть подключен к нагрузке, чтобы защитить транзистор от короткого замыкания. высокое напряжение, возникающее при отключении нагрузки. Обратите внимание, что диод подключен «в обратном направлении», как показано на рисунке. на диаграммах выше.

Пример

Выход из КМОП-микросхемы серии 4000 необходим для работы реле с 100, включается, когда выход IC высокий.Напряжение питания составляет 6 В как для ИС, так и для нагрузки. ИС может обеспечивать максимальный ток 5 мА.

  • Требуется транзистор NPN , потому что катушка реле должна быть включена, когда выход IC высокий.
  • Ток нагрузки = Vs / R L = 6/100 = 0,06 A = 60 мА, поэтому транзистор должен иметь Ic (макс.)> 60 мА .
  • Максимальный ток от ИС составляет 5 мА, поэтому транзистор должен иметь ч FE (мин)> 60 (5 × 60 мА / 5 мА).
  • Выберите транзистор малой мощности общего назначения BC182 с Ic (макс.) = 100 мА и ч FE (мин) = 100 .
  • R B = 0,2 × R L × h FE = 0,2 × 100 × 100 = 2000, поэтому выберите R B = 1k8 или 2k2 .
  • Для катушки реле требуется защитный диод .

Rapid Electronics: транзисторы


Использование транзистора в качестве переключателя с датчиками

На схемах ниже показано, как подключить LDR (датчик освещенности) к транзистору, чтобы светочувствительный переключатель цепи на светодиоде. Есть две версии: одна включается в темноте, другая при ярком свете.Переменный резистор регулирует чувствительность. Для переключения светодиода можно использовать любой транзистор малой мощности общего назначения.

Если транзистор переключает нагрузку с помощью катушки (например, двигателя или реле) вместо светодиода, вы должны включить защитный диод поперек нагрузки.

Если переменный резистор находится между + Vs и базой, вы должны добавить резистор с фиксированным номиналом не менее 1к (10к в примере ниже) для защиты транзистора, когда переменный резистор уменьшен до нуля, в противном случае чрезмерная база ток разрушит транзистор.

Светодиод загорается, когда LDR темный

Светодиод загорается при яркости LDR

Обратите внимание, что переключающее действие этих простых схем не очень хорошее, потому что будет промежуточная яркость, когда транзистор будет частично на (не насыщенный). В этом состоянии транзистор может перегреться, если он не коммутирует небольшой ток. Нет проблем с малым током светодиода, но больший ток лампы, двигателя или реле может вызвать перегрев.

Другие датчики, например термистор, могут использоваться с этими схемами, но для них может потребоваться другой переменный резистор. Вы можете рассчитать приблизительное значение переменного резистора (Rv), используя мультиметр для определения минимального и максимального значений сопротивления датчика (Rmin и Rmax), а затем по этой формуле:

Значение переменного резистора:
Rv = квадратный корень из (Rmin × Rmax)

Например, LDR: Rmin = 100, Rmax = 1M, поэтому Rv = квадратный корень из (100 × 1M) = 10к.

Вы можете сделать гораздо лучшую схему переключения, подключив датчики к подходящему IC (чип). Действие переключения будет намного более резким без частичного включения.



Транзисторный инвертор (НЕ затвор)


Дарлингтон пара

Пара Дарлингтона - это два транзистора, соединенных вместе так, что ток, усиливаемый первым, усиливается. далее вторым транзистором.

Пара ведет себя как одиночный транзистор с очень высоким коэффициентом усиления по току, так что для включения пары требуется лишь крошечный базовый ток.

Коэффициент усиления по току пары Дарлингтона (h FE ) равен двум индивидуальным коэффициентам усиления (h FE1 и h FE2 ), умноженные вместе - это дает паре очень высокий коэффициент усиления по току, например 10000.

Коэффициент усиления по току пары Дарлингтона:
h FE = h FE1 × h FE2

Обратите внимание, что для включения пары Дарлингтона должно быть 0,7 В на обоих переходах база-эмиттер, которые являются соединены последовательно так 1. Для включения требуется 4В.

Rapid Electronics: транзисторы Дарлингтона

Транзисторы Дарлингтона

пары Дарлингтона доступны в виде корпуса «транзистор Дарлингтона» с тремя выводами. (B, C и E) эквивалентно стандартному транзистору.

Вы также можете сделать свою собственную пару Дарлингтона из двух обычных транзисторов. TR1 может быть маломощным, но TR2 может потребоваться высокая мощность. Максимальный ток коллектора Ic (max) для пары такой же, как Ic (max) для TR2.

Цепь сенсорного переключателя

Пара Дарлингтона достаточно чувствительна, чтобы реагировать на небольшой ток, проходящий через ваша кожа, и его можно использовать для изготовления сенсорного переключателя , как показано на схеме.

Для этой схемы, которая просто зажигает светодиод, два транзистора могут быть любого общего назначения. транзисторы малой мощности назначения.

100к резистор защищает транзисторы, если контакты соединены куском провода.

Схема сенсорного переключателя


Rapid Electronics (Быстрая электроника) любезно разрешили мне использовать их изображения на этом веб-сайте, и я очень благодарен за их поддержку.У них есть широкий ассортимент компонентов, инструментов и материалов для электроники, и я рад рекомендую их как поставщика.


Следующая страница: Емкость | Исследование


Политика конфиденциальности и файлы cookie

Этот сайт не собирает личную информацию. Если вы отправите электронное письмо, ваш адрес электронной почты и любая личная информация будет используется только для ответа на ваше сообщение, оно не будет передано никому. На этом веб-сайте отображается реклама, если вы нажмете на рекламодатель может знать, что вы пришли с этого сайта, и я могу быть вознагражден.Рекламодателям не передается никакая личная информация. Этот веб-сайт использует некоторые файлы cookie, которые классифицируются как «строго необходимые», они необходимы для работы веб-сайта и не могут быть отклонены, но они не содержат никакой личной информации. Этот веб-сайт использует службу Google AdSense, которая использует файлы cookie для показа рекламы на основе использования вами веб-сайтов. (включая этот), как объяснил Google. Чтобы узнать, как удалить файлы cookie и управлять ими в своем браузере, пожалуйста, посетите AboutCookies.org.

клуб электроники.инфо © Джон Хьюс 2021

транзисторов - learn.sparkfun.com

Добавлено в избранное Любимый 77

Приложения I: переключатели

Одно из самых фундаментальных применений транзистора - использовать его для управления потоком энергии к другой части схемы - используя его в качестве электрического переключателя. Управляя им либо в режиме отсечки, либо в режиме насыщения, транзистор может создавать двоичный эффект включения / выключения переключателя.

Транзисторные переключатели являются важными строительными блоками; они используются для создания логических вентилей, которые используются для создания микроконтроллеров, микропроцессоров и других интегральных схем. Ниже приведены несколько примеров схем.

Транзисторный переключатель

Давайте посмотрим на самую фундаментальную схему транзисторного переключателя: переключатель NPN. Здесь мы используем NPN для управления мощным светодиодом:

Наш управляющий вход проходит в базу, выход привязан к коллектору, а на эмиттере поддерживается фиксированное напряжение.

В то время как для обычного переключателя требуется физическое переключение исполнительного механизма, этот переключатель управляется напряжением на базовом выводе. Вывод микроконтроллера ввода / вывода, как и на Arduino, может быть запрограммирован на высокий или низкий уровень для включения или выключения светодиода.

Когда напряжение на базе превышает 0,6 В (или какое бы там значение у вашего транзистора V th ), транзистор начинает насыщаться и выглядит как короткое замыкание между коллектором и эмиттером. Когда напряжение на базе меньше 0.6V транзистор находится в режиме отсечки - ток не течет, потому что это похоже на разрыв цепи между C и E.

Схема, приведенная выше, называется переключателем низкого уровня , потому что переключатель - наш транзистор - находится на стороне низкого (заземления) цепи. В качестве альтернативы мы можем использовать транзистор PNP для создания переключателя верхнего плеча:

Подобно схеме NPN, база - это наш вход, а эмиттер подключен к постоянному напряжению. Однако на этот раз эмиттер подключен к высокому уровню, а нагрузка подключена к транзистору со стороны земли.

Эта схема работает так же хорошо, как и переключатель на основе NPN, но есть одно огромное отличие: чтобы включить нагрузку, база должна быть низкой. Это может вызвать осложнения, особенно если высокое напряжение нагрузки (V CC - 12 В, подключенное к эмиттеру V E на этом рисунке) выше, чем высокое напряжение нашего управляющего входа. Например, эта схема не будет работать, если вы попытаетесь использовать Arduino с напряжением 5 В для выключения двигателя 12 В. В этом случае было бы невозможно выключить выключателем , потому что V B (соединение с управляющим контактом) всегда будет меньше, чем V E .

Базовые резисторы!

Вы заметите, что каждая из этих схем использует последовательный резистор между управляющим входом и базой транзистора. Не забудьте добавить этот резистор! Транзистор без резистора на базе похож на светодиод без токоограничивающего резистора.

Напомним, что в некотором смысле транзистор - это просто пара соединенных между собой диодов. Мы смещаем диод база-эмиттер в прямом направлении, чтобы включить нагрузку. Для включения диоду требуется всего 0,6 В, большее напряжение означает больший ток.Некоторые транзисторы могут быть рассчитаны только на ток, протекающий через них не более 10–100 мА. Если вы подаете ток выше максимального номинала, транзистор может взорваться.

Последовательный резистор между нашим источником управления и базой ограничивает ток в базе . Узел база-эмиттер может получить свое счастливое падение напряжения 0,6 В, а резистор может сбросить оставшееся напряжение. Значение резистора и напряжение на нем определяют ток.

Резистор должен быть достаточно большим, чтобы эффективно ограничивать ток, но достаточно маленьким, чтобы питать базу достаточным током .Обычно достаточно от 1 мА до 10 мА, но чтобы убедиться в этом, проверьте техническое описание транзистора.

Цифровая логика

Транзисторы

можно комбинировать для создания всех наших основных логических вентилей: И, ИЛИ, и НЕ.

(Примечание: в наши дни полевые МОП-транзисторы с большей вероятностью будут использоваться для создания логических вентилей, чем биполярные транзисторы. Полевые МОП-транзисторы более энергоэффективны, что делает их лучшим выбором.)

Инвертор

Вот схема транзистора, которая реализует инвертор , или НЕ вентиль:

Инвертор на транзисторах.

Здесь высокое напряжение на базе включает транзистор, который эффективно соединяет коллектор с эмиттером. Поскольку эмиттер напрямую подключен к земле, коллектор тоже будет (хотя он будет немного выше, где-то около V CE (sat) ~ 0,05-0,2 В). С другой стороны, если на входе низкий уровень, транзистор выглядит как разомкнутая цепь, а выход подтянут до VCC

.

(На самом деле это основная конфигурация транзистора, называемая с общим эмиттером .Подробнее об этом позже.)

И Ворота

Вот пара транзисторов, используемых для создания логического элемента И с 2 входами :

2-входной логический элемент И на транзисторах.

Если один из транзисторов выключен, то на выходе коллектора второго транзистора будет установлен низкий уровень. Если оба транзистора включены (на обоих базах высокий уровень), то выходной сигнал схемы также высокий.

OR Выход

И, наконец, логический элемент ИЛИ с двумя входами :

Логический элемент ИЛИ с 2 входами, построенный на транзисторах.

В этой схеме, если один (или оба) A или B имеют высокий уровень, соответствующий транзистор включается и подтягивает выходной сигнал к высокому уровню. Если оба транзистора выключены, то через резистор выводится низкий уровень.

Н-образный мост

H-мост - это транзисторная схема, способная приводить в движение двигатели как по часовой, так и против часовой стрелки . Это невероятно популярная трасса - движущая сила бесчисленных роботов, которые должны уметь двигаться как вперед на , так и на назад.

По сути, H-мост представляет собой комбинацию четырех транзисторов с двумя входными линиями и двумя выходами:

Вы можете догадаться, почему это называется H-мостом?

(Примечание: обычно у хорошо спроектированного H-моста есть нечто большее, включая обратные диоды, базовые резисторы и триггеры Шмидта.)

Если оба входа имеют одинаковое напряжение, выходы двигателя будут иметь одинаковое напряжение, и двигатель не сможет вращаться. Но если два входа противоположны, двигатель будет вращаться в одном или другом направлении.

H-мост имеет таблицу истинности, которая выглядит примерно так:

Вход A Вход B Выход A Выход B Направление двигателя
0 0 1 1 Остановлено (торможение) 6
6
1 0 По часовой стрелке
1 0 0 1 Против часовой стрелки
1 1 0 0 0 0 0

Осцилляторы

Генератор - это схема, которая генерирует периодический сигнал, который колеблется между высоким и низким напряжением.Генераторы используются во всевозможных схемах: от простого мигания светодиода до генерации тактового сигнала для управления микроконтроллером. Есть много способов создать схему генератора, включая кварцевые кристаллы, операционные усилители и, конечно же, транзисторы.

Вот пример колебательного контура, который мы называем нестабильным мультивибратором . Используя обратную связь , мы можем использовать пару транзисторов для создания двух дополняющих осциллирующих сигналов.

Помимо двух транзисторов, конденсаторы являются настоящим ключом к этой схеме.Колпачки поочередно заряжаются и разряжаются, в результате чего два транзистора поочередно включаются и выключаются.

Анализ работы этой схемы - отличное исследование работы как конденсаторов, так и транзисторов. Для начала предположим, что C1 полностью заряжен (хранится напряжение около CC В), C2 разряжен, Q1 включен, а Q2 выключен. Вот что происходит после этого:

  • Если Q1 включен, то левая пластина C1 (на схеме) подключена примерно к 0 В. Это позволит C1 разряжаться через коллектор Q1.
  • Пока C1 разряжается, C2 быстро заряжается через резистор меньшего номинала - R4.
  • Как только C1 полностью разрядится, его правая пластина будет подтянута примерно до 0,6 В, что включит Q2.
  • На этом этапе мы поменяли местами состояния: C1 разряжен, C2 заряжен, Q1 выключен, а Q2 включен. Теперь танцуем в другую сторону.
  • Q2 включен, позволяет C2 разряжаться через коллектор Q2.
  • Когда Q1 выключен, C1 может относительно быстро заряжаться через R1.
  • Как только C2 полностью разрядится, Q1 снова включится, и мы вернемся в состояние, в котором мы начали.

Иногда бывает трудно осознать. Вы можете найти еще одну отличную демонстрацию этой схемы здесь.

Выбирая определенные значения для C1, C2, R2 и R3 (и сохраняя R1 и R4 относительно низкими), мы можем установить скорость нашей схемы мультивибратора:

Итак, при значениях для конденсаторов и резисторов, установленных на 10 мкФ и 47 кОм соответственно, частота нашего генератора будет около 1.5 Гц. Это означает, что каждый светодиод будет мигать примерно 1,5 раза в секунду.


Как вы, наверное, уже заметили, существует тонн схем, в которых используются транзисторы. Но мы почти не коснулись поверхности. Эти примеры в основном показывают, как транзистор можно использовать в режимах насыщения и отсечки в качестве переключателя, но как насчет усиления? Пришло время увидеть больше примеров!



← Предыдущая страница
Режимы работы

Транзисторы 101

Транзисторы 101 Изучение транзисторов
(через простую схему драйвера светодиода)

Светодиод

Светодиод - это устройство, показанное выше.Кроме красные, они также могут быть желтыми, зелеными и синими. Буквы LED означают свет Излучающий диод. Что важно помнить о диодах (включая светодиоды) заключается в том, что ток может течь только в одном направлении.

Чтобы светодиод заработал, нужен источник питания и резистор. Если вы попытаетесь использовать светодиод без резистора, вы, вероятно, перегорите светодиод. Светодиод имеет очень маленькое сопротивление поэтому через него будет протекать большое количество тока, если вы не ограничите ток с резистором.Если вы попытаетесь использовать светодиод без источника питания, вы можете быть очень разочарованы.

Итак, в первую очередь сделаем наш Светодиод загорается при настройке схемы ниже.

Шаг 1.) Сначала вам нужно найти положительная ножка светодиода. Самый простой способ сделать это - поискать нога, которая длиннее.

Шаг 2.) Как только вы узнаете, с какой стороны положительный, включите светодиод макет таким образом, положительный отрезок находится в одном ряду, а отрицательный - в другом. (На картинке ниже ряды вертикальные.)

Шаг 3.) Поместите одну ногу 220 резистор Ом (неважно, на какой ноге) в том же ряду, что и отрицательный ножка светодиода. Затем поместите другую ножку резистора в пустой ряд.

Шаг 4.) Отключите блок питания. адаптер от блока питания. Затем поместите заземляющий (черный провод) конец адаптер питания в боковом ряду с синей полосой рядом Это. Затем вставьте положительный (красный провод) конец адаптера источника питания в боковой ряд с красной полосой рядом.

Шаг 5.) Используйте короткую перемычку. (используйте красный цвет, поскольку он будет подключен к положительному напряжению), чтобы перейти от положительный ряд мощности (тот, рядом с которым есть красная полоса) к положительному ножка светодиода (не в том же отверстии, а в том же ряду). Использовать другой короткая перемычка (используйте черный цвет) для перехода от заземляющего ряда к резистору (нога, не подключенная к светодиоду). См. Картинку ниже если необходимо.

Макет должен выглядеть как на картинке ниже.

Теперь подключите блок питания к стену, а затем подключите другой конец к адаптеру питания и Светодиод должен загореться.Ток течет от положительной ножки светодиода. через светодиод к отрицательной ножке. Попробуйте повернуть светодиод. Должно не загорается. Ток не может течь от отрицательного полюса светодиода к положительная нога.

Люди часто думают, что резистор должен быть первым на пути от положительного к отрицательному, чтобы ограничить количество тока, протекающего через светодиод. Но ток ограничен резистор независимо от того, где находится резистор. Даже когда вы впервые включаете мощность, ток будет ограничен определенной величиной, и его можно найти используя закон Ома.

Вездесущая полезность закона Ома:
[Напряжение (вольт) = ток (амперы) X сопротивление (Ом)]

Закон Ома может использоваться с резисторами найти ток, протекающий по цепи. Закон I = V / R (где I = ток, V = напряжение на резисторе и R = сопротивление). Для В приведенной выше схеме мы можем использовать только закон Ома для резистора, поэтому мы должны использовать то что при горит светодиоде на нем падение напряжения 1.9 (Кстати: падение напряжения зависит от типа светодиода).Это означает, что если положительная нога подключена к 5 вольт, отрицательная нога будет на 3,1 вольта (т. е. 5,0–1,9 = 3,1). Теперь, когда мы знаем напряжение на обеих сторонах резистор и может использовать закон Ома для расчета тока. Текущий (5,0-1,9) / 220 = 3,6 / 2000 = 0,0014 Ампер = 14 мА

Это ток, протекающий через путь от 5В к GND. Это означает, что через оба канала проходит 14 мА. Светодиод и резистор (так как они включены последовательно). Если мы хотим изменить ток, протекающий через светодиода (таким образом, изменяя яркость) мы можем поменять резистор.Меньший резистор пропускает больше тока, а резистор большего размера пропускает меньше текущий поток. Будьте осторожны при использовании резисторов меньшего размера, потому что они будут раздражаться. Кроме того, некоторые светодиоды будут повреждены, если вы ими воспользуетесь. за пределами их максимального номинального тока ... так что не используйте резистор, который настолько мал что вы будете генерировать чрезвычайно высокий ток (примечание: наш светодиод имеет максимум рабочий ток 20 мА).

Далее мы хотим иметь возможность превратить светодиод включается и выключается без изменения схемы.Для этого мы научимся использовать другой электронный компонент, транзистор.

Транзистор

Транзисторы - основные компоненты во всей современной электронике. Это просто переключатели, которые мы можем использовать для включения и выключения. Несмотря на то, что они простые, они самый важный электрический компонент. Например, транзисторы почти единственные компоненты, используемые для построения процессора Pentium. Один Pentium 4 имеет около 55 миллионов транзисторов (именно поэтому эти микросхемы становятся такими чертовыми). горячий).Те, что в Pentium, меньше чем те, которые мы будем использовать, но они работают одинаково.

Транзисторы (2N2222), которые мы будем использовать в наших проектах, выглядят так:

Транзистор имеет три ножки, Коллектор (C), база (B) и эмиттер (E). Иногда они помечены на плоская сторона транзистора. Транзисторы обычно имеют одну круглую сторону и одна плоская сторона. Если плоская сторона обращена к вам, ножка эмиттера Слева опорная ножка находится посередине, а коллекторная ножка находится на справа (примечание: некоторые специальные транзисторы имеют другую конфигурацию контактов, чем пакет ТО-92, описанный выше).

Символ транзистора

В электрические схемы (схемы) для представления NPN транзистора

Базовая схема

База (B) - переключатель включения / выключения для транзистора. Если к базе идет ток, будет путь от коллектора (C) к эмиттеру (E), где может течь ток (Переключатель включен.) Если к базе не течет ток, значит, нет ток может течь от коллектора к эмиттеру.(Переключатель выключен.)

Ниже приведена базовая схема, которую мы будем использовать для всех наших транзисторов.

Чтобы построить эту схему, нам нужно только добавить транзистор и еще один резистор к схеме, которую мы построили выше для светодиода. Перед внесением любых изменений отключите блок питания от адаптера блока питания. на макете. Чтобы вставить транзистор в макет, разъедините ножки немного и поместите его на макет так, чтобы каждая ножка находилась в отдельном ряду. В коллекторная ножка должна быть в том же ряду, что и ножка резистора, который подключен к земле (с помощью черной перемычки).Затем переместите перемычку переход от земли к резистору 220 Ом к эмиттеру транзистора.

Затем поместите одну ногу 100 кОм резистор в ряду с базой транзистора и другой ножкой в пустая строка, и ваша макетная плата должна выглядеть, как на картинке ниже.

Теперь наденьте один конец желтой перемычки. провод в положительном ряду (рядом с красной линией), а другой конец - в ряд с ножкой резистора 100 кОм (конец не подключен к База).Снова подключите источник питания, транзистор включится и Загорится светодиод. Теперь переместите один конец желтой перемычки из положительный ряд к основному ряду (рядом с синей линией). Как только ты снимите желтую перемычку с плюса питания, есть ток не течет к базе. Это заставляет транзистор выключиться и ток не может течь через светодиод. Как мы увидим позже, очень через резистор 100 кОм протекает небольшой ток. Это очень важно потому что это означает, что мы можем контролировать большой ток в одной части цепи (ток, протекающий через светодиод) только с небольшим током от Вход.

Вернуться к закону Ома

Мы хотим использовать закон Ома, чтобы найти ток на пути от входа к базе транзистора и ток, протекающий через светодиод. Для этого нам нужно использовать два основных факты о конкретных транзисторах, которые мы используем:

1.) Если транзистор включен, тогда базовое напряжение на 0,7 вольт выше, чем напряжение эмиттера.

2.) Если транзистор включен, напряжение коллектора на 1,6 вольт выше, чем напряжение эмиттера.

Итак, когда резистор 100 кОм подключен к 5 В постоянного тока, схема будет выглядеть так:

Таким образом, ток, протекающий через резистор 100 кОм, равен (5 - 0,7) / 100000 = 0,000043 A = 0,043 мА.

Ток, протекающий через резистор 220 Ом, равен (3,1 - 1,6) / 220 = 0,0068 А = 6,8 мА.

Если мы хотим, чтобы ток протекал больше через светодиод мы можем использовать меньший резистор (вместо 220) и мы будет получать больше тока через светодиод без изменения величины тока который идет от входной линии к базовому резистору 100 кОм.Это означает , что мы можем контролировать вещи, которые используют большая мощность (например, электродвигатели) с дешевыми транзисторными схемами малой мощности. Скоро вы узнаете, как использовать компьютер для управления событиями в реальном мире. Несмотря на то Выходы стандартного компьютера под управлением Windows не могут обеспечить достаточный ток для включения света и двигателей включения и выключения, компьютер может включать и выключать транзисторы (поскольку для этого требуется слабый ток) и Транзисторы могут управлять большим током для ламп и двигателей. Эта концепция называется усилением и представляет собой фундаментальную концепцию компьютерного интерфейса для эксперименты в реальном мире.

Примечание :
Это руководство во многом основано на том, что изначально появилось на несуществующем веб-сайте www.iguanalabs.com. (Посмертное спасибо ребятам из лаборатории игуаны).

Как работают транзисторы (NPN и MOSFET)

Транзистор - это простой компонент, который можно использовать для создания множества интересных проектов. В этом практическом руководстве вы узнаете, как работают транзисторы, и сможете использовать их в своей следующей схеме.

На самом деле это довольно просто, если вы изучите основы.Мы сосредоточимся на двух наиболее распространенных транзисторах; NPN и MOSFET .

Транзистор работает как электронный переключатель. Он может включать и выключать ток. Проще всего представить себе транзистор как реле без каких-либо движущихся частей. Транзистор похож на реле в том смысле, что вы можете использовать его для включения и выключения чего-либо.

Но транзистор также можно частично включить, что полезно для создания усилителей.

Как работают транзисторы (тип NPN)

Начнем с классического транзистора NPN.Имеет три ножки:

  • База (b)
  • Коллектор (c)
  • Излучатель (e)

Если вы включите его, через него может течь ток от коллектора к эмиттеру. Когда он выключен, ток не может течь.

В приведенном ниже примере схемы транзистор выключен. Это означает, что через него не может протекать ток, поэтому светоизлучающий диод (LED) также выключен.

Чтобы включить транзистор, необходимо напряжение около 0,7 В между базой и эмиттером.

Если бы у вас была батарея 0,7 В, вы могли бы подключить ее между базой и эмиттером, и транзистор включился бы.

Поскольку у большинства из нас нет батареи 0,7 В, как нам включить транзистор?

Легко! Часть транзистора база-эмиттер работает как диод. Диод имеет прямое напряжение , которое он «берет» из имеющегося напряжения. Если вы добавите резистор последовательно, остальная часть напряжения упадет на резисторе.

Таким образом, вы автоматически получите около 0.7В, добавив резистор.

Это тот же принцип, который вы используете для ограничения тока через светодиод, чтобы он не взорвался.

Если вы также добавите кнопку, вы можете управлять транзистором и, следовательно, светодиодом, включаться и выключаться с помощью кнопки:

Выбор значений компонентов

Чтобы выбрать значения компонентов, вам нужно знать еще одну вещь о том, как работают транзисторы:

Когда ток течет от базы к эмиттеру, транзистор включается, так что больший ток может течь от коллектора к эмиттеру.

Существует связь между величинами двух токов. Это называется коэффициентом усиления транзистора .

Для транзистора общего назначения, такого как BC547 или 2N3904, это может быть около 100.

Это означает, что если у вас есть ток 0,1 мА от базы к эмиттеру, у вас может быть 10 мА (в 100 раз больше), протекающее от коллектора к эмиттеру.

Резистор какого сопротивления нужен для R1, чтобы ток протекал 0,1 мА?

Если батарея 9В, а база-эмиттер транзистора захватывает 0.7 В, на резисторе осталось 8,3 В.

Вы можете использовать закон Ома, чтобы найти номинал резистора:

Треугольник закона Ома

Значит нужен резистор на 83 кОм. Это не стандартное значение, но 82 кОм, и это достаточно близко.

R2 предназначен для ограничения тока светодиода. Вы можете выбрать значение, которое вы выбрали бы, если бы вы подключили светодиод и резистор непосредственно к батарее 9 В, без транзистора. Например, 1 кОм должен работать нормально.

Посмотрите видеообъяснение транзистора, которое я сделал несколько лет назад (простите за олдскульное качество):

Как выбрать транзистор

NPN-транзистор является наиболее распространенным из биполярных транзисторов (BJT) .Но есть еще один, называемый PNP-транзистором, который работает точно так же, только все токи имеют противоположное направление.

При выборе транзистора важно помнить, какой ток транзистор может выдерживать. Это называется током коллектора (I C ).

БЕСПЛАТНЫЙ бонус: Загрузите базовые электронные компоненты [PDF] - мини-книгу с примерами, которая научит вас, как работают основные компоненты электроники.

Как работает МОП-транзистор

MOSFET-транзистор - еще один очень распространенный тип транзисторов. Он также имеет три контакта:

  • Затвор (g)
  • Источник (и)
  • Сток (d)
Символ MOSFET (N-канал)

МОП-транзистор работает аналогично NPN-транзистору, но с одним важным отличием:

В NPN-транзисторе , ток от базы к эмиттеру определяет, сколько тока может протекать от коллектора к эмиттеру.

В полевой МОП-транзистор , напряжение между затвором и истоком определяет, сколько тока может протекать от стока к истоку.

Пример: как включить полевой МОП-транзистор

Ниже приведен пример схемы включения полевого МОП-транзистора.

Значение R1 не критично, но около 10 кОм должно работать нормально. R2 устанавливает яркость светодиода. 1 кОм подойдет для большинства светодиодов. Q1 может быть практически любым n-канальным MOSFET, например BS170.

Чтобы включить MOSFET-транзистор, вам необходимо напряжение между затвором и истоком, которое выше порогового напряжения вашего транзистора.Например, BS170 имеет пороговое напряжение затвор-исток , равное 2,1 В. (Вы найдете эту информацию в таблице).

Пороговое напряжение полевого МОП-транзистора - это фактически напряжение, при котором он отключается. Итак, чтобы правильно включить транзистор, вам нужно напряжение немного выше этого.

Насколько выше, зависит от того, какой ток вы хотите иметь (и вы найдете эту информацию в таблице данных). Если вы поднимете на пару вольт выше порогового значения, этого обычно более чем достаточно для слаботочных вещей, таких как включение светодиода.

Обратите внимание, что даже если вы используете достаточно высокое напряжение для протекания тока 1 А, это не означает, что вы получите 1 А. Это просто означает, что у вас может быть ток с током 1А, если вы захотите. Но то, что вы к нему подключаете, определяет фактический ток.

Таким образом, вы можете подниматься настолько высоко, насколько хотите, при условии, что вы не превышаете максимально допустимое напряжение затвор-исток (которое составляет 20 В для BS170).

В приведенном выше примере ворота подключаются к напряжению 9 В, когда вы нажимаете кнопку.Это включает транзистор.

Как выключить полевой МОП-транзистор?

Одна важная вещь, которую нужно знать о MOSFET, заключается в том, что он также действует как конденсатор. То есть часть затвор-исток. Когда вы прикладываете напряжение между затвором и истоком, это напряжение остается там до тех пор, пока оно не разрядится.

Без резистора (R1) в приведенном выше примере транзистор не выключился бы. С резистором есть путь для разряда конденсатора затвор-исток, чтобы транзистор снова отключился.

Как выбрать МОП-транзистор

В приведенном выше примере используется полевой МОП-транзистор с N-каналом . P-channel MOSFET работают так же, только ток течет в противоположном направлении, а напряжение затвор-исток должно быть отрицательным, чтобы включить его.

Существуют тысячи различных полевых МОП-транзисторов на выбор. Но если вы хотите построить схему, приведенную выше, и получить конкретную рекомендацию, BS170 и IRF510 - два обычных.

При выборе полевого МОП-транзистора следует учитывать две вещи:

  • Пороговое напряжение затвор-исток .Для включения транзистора требуется более высокое напряжение.
  • Непрерывный ток утечки . Это максимальное количество тока, которое может протекать через транзистор.

Есть и другие важные параметры, о которых следует помнить, в зависимости от того, что вы делаете. Но это выходит за рамки данной статьи. Помните об этих двух параметрах, и у вас будет хорошая отправная точка.

Зачем вам транзистор?

Мне часто задают вопрос: зачем нам транзистор? Почему бы не подключить светодиод и резистор напрямую к аккумулятору?

Преимущество транзистора заключается в том, что вы можете использовать небольшой ток или напряжение для управления гораздо большими током и напряжением.

Это очень полезно, если вы хотите управлять такими вещами, как двигатели, мощные светодиоды, динамики, реле и многое другое с Raspberry Pi / Arduino / микроконтроллера. Выходные контакты этих плат обычно могут обеспечить всего несколько миллиампер при напряжении 5 В. Поэтому, если вы хотите управлять уличным освещением 110 В для патио, вы не можете сделать это напрямую с помощью булавки.

Вместо этого вы можете сделать это через реле. Но даже реле обычно требует большего тока, чем может обеспечить вывод. Итак, вам понадобится транзистор для управления реле:

Подключите левую сторону резистора к выходному контакту (например, от Arduino) для управления реле.

Но транзисторы также полезны для более простых схем датчиков, таких как эта схема светового датчика, схема сенсорного датчика или схема H-моста.

Транзисторы используются практически во всех схемах. Это действительно самый важный компонент в электронике.

Транзистор как усилитель

Транзистор - это еще и то, что заставляет работать усилители. Вместо того, чтобы иметь только два состояния (ВКЛ / ВЫКЛ), он также может быть где угодно между «полностью включен» и «полностью выключен».

Это означает, что слабый сигнал почти без энергии может управлять транзистором, чтобы создать гораздо более сильную копию этого сигнала в части коллектор-эмиттер (или сток-исток) транзистора.Таким образом, транзистор может усиливать слабые сигналы.

Ниже представлен простой усилитель для управления динамиком. Чем выше входное напряжение, тем выше ток от базы к эмиттеру и тем выше ток через динамик.

Изменяющееся входное напряжение приводит к изменению тока в динамике, что создает звук.

Усилитель с общим эмиттером

Обычно вы добавляете еще пару резисторов к смещению транзистора. В противном случае вы получите много искажений.Но это уже для другой статьи.

Если вы хотите узнать больше об использовании транзистора в качестве усилителя, на сайте electronics-lab.com есть несколько хороших руководств по трем основным настройкам усилителя BJT.

Вопросы?

Вы понимаете, как сейчас работают транзисторы? Или вы все еще в замешательстве? Позвольте мне знать в комментариях ниже.

Как сделать не затвор с помощью транзистора на макетной плате

Я уверен, что вы должны быть знакомы с воротами НЕ, это таблица истинности, логический символ и их работа.Но знаете ли вы, что вы можете создать свой собственный НЕ Gate на макетной плате? Итак, в этом посте вы узнаете, как сделать НЕ вентиль, используя транзистор на макетной плате.

** Прочтите аналогичную статью: И ворота с использованием диодов

Что такое NOTGate?

Символ НЕ ворот

Гейт

НЕ является логическим шлюзом и называется так, потому что НЕ означает «противоположный». В вентиле НЕ есть только один вход и один выход. Таким образом, когда вход равен 0, выход равен 1, а когда вход равен 1, выход равен 0.

Вы также можете посмотреть видео ниже для быстрой справки:

Таблица истинности:

Таблица истинности NOT Gate

Необходимые компоненты:

1. BC547 Транзистор X 2

2. Резистор 1 кОм, 100 Ом

3. Светодиод

4. Аккумулятор 9 В

5. Соединительные провода

СХЕМА:

НЕ затвор с использованием транзистора

Это схема, которую мы собираемся построить на макетной плате.

1. Коллектор идет к плюсовой клемме АКБ через резистор 1 кОм

2. Логические входы подаются на базу транзистора через резистор 100 Ом.

3. Излучатель идет на массу, т. Е. На отрицательную клемму аккумулятора.

4. Индикатор выхода, т.е. светодиод подключен между коллектором и эмиттером (Gnd).

5. Земля - ​​отрицательный полюс аккумуляторной батареи.

РАБОЧИЙ:

Транзистор действует в этой схеме как переключатель.Когда на базе возникает какое-то пороговое напряжение, транзистор действует как замкнутый переключатель с коллектора на эмиттер. И всякий раз, когда на базе нет или меньше порогового напряжения, это действует как разомкнутая цепь от коллектора к эмиттеру.

** из принципиальной схемы

ВАРИАНТ 1: вход A = 0

В этом случае на базе транзистора нет напряжения. Таким образом, он действует как открытый переключатель от коллектора к эмиттеру, то есть бесконечное сопротивление между коллектором и эмиттером.И из-за этого ток от коллектора к земле не течет. Весь ток течет от резистора к светодиоду, а затем к земле, то есть по пути минимального сопротивления. Следовательно, загорится светодиод, т.е. 1 на выходе.

ВАРИАНТ 2: Вход A = 1

В этом случае на базе транзистора имеется некоторое пороговое напряжение. Таким образом, он действует как замкнутый переключатель от коллектора к эмиттеру, то есть почти нулевое сопротивление между коллектором и эмиттером. Благодаря этому ток не течет от резистора к светодиоду, а затем к земле.Весь ток течет от коллектора к земле, то есть по пути минимального сопротивления. Следовательно, светодиод гаснет, т. Е. 0 на выходе.

** Следовательно, мы получаем 0 (светодиод не горит) на выходе, когда вход равен 1, и 1 (светодиод горит) на выходе, когда вход равен 0.

Моделирование:

Примечание. Перед построением схемы на макетной плате она сначала моделируется в приложении «Каждая схема». Вы можете скачать приложение здесь.

** Схема в точности аналогична приведенной выше.

НЕ затвор с использованием транзистора

** Слайд-шоу

ВАРИАНТ 1: вход A = 1, выход = 0 (светодиод не горит)

ВАРИАНТ 2: вход A = 0, выход = 1 (светодиод горит)

Для этого слайд-шоу требуется JavaScript.

Давай сделаем это!

1. Поместите транзистор на макетную плату, как показано на рисунке ниже. Клеммы транзистора слева направо: КОЛЛЕКТОР, БАЗА, ЭМИТТЕР.

** Слайд-шоу

Для этого слайд-шоу требуется JavaScript.

2. Подключите резистор 100 Ом от коллектора к положительной клемме батареи, как показано ниже:

** Слайд-шоу

Для этого слайд-шоу требуется JavaScript.

3. Теперь подключите резистор 1 кОм от базы транзистора к входной логике.

Для этого слайд-шоу требуется JavaScript.

4. Теперь подключите перемычку к входу.

5.Подключите эмиттер к земле, т. Е. Отрицательную клемму аккумулятора:

.

Для этого слайд-шоу требуется JavaScript.

6. Подключите клеммы 9-вольтовой батареи, как показано ниже:

7. Теперь подключите светодиод от коллектора (более длинная ножка) к эмиттеру (более короткая ножка).

** Слайд-шоу

Для этого слайд-шоу требуется JavaScript.

ВАРИАНТ 1: Вход A = 0, выход = 1 (светодиод горит)

Для этого слайд-шоу требуется JavaScript.

В этом случае на базе транзистора нет напряжения. Таким образом, он действует как открытый переключатель от коллектора к эмиттеру, то есть бесконечное сопротивление между коллектором и эмиттером. И из-за этого ток от коллектора к земле не течет. Весь ток течет от резистора к светодиоду, а затем к земле, то есть по пути минимального сопротивления. Следовательно, загорится светодиод, т.е. 1 на выходе.

ВАРИАНТ 2: Вход A = 1, выход = 0 (светодиод не горит)

Для этого слайд-шоу требуется JavaScript.

В этом случае на базе транзистора имеется некоторое пороговое напряжение. Таким образом, он действует как замкнутый переключатель от коллектора к эмиттеру, то есть почти нулевое сопротивление между коллектором и эмиттером. Благодаря этому ток не течет от резистора к светодиоду, а затем к земле. Весь ток течет от коллектора к земле, то есть по пути минимального сопротивления. Следовательно, светодиод гаснет, т. Е. 0 на выходе.

** Следовательно, мы получаем 0 (светодиод не горит) на выходе, когда вход равен 1, и 1 (светодиод горит) на выходе, когда вход равен 0.

Вы также можете посмотреть видео ниже для быстрой справки:

Нравится:

Нравится Загрузка ...

Связанные

Как работает логический вентиль в микрочипе? Затвор кажется устройством, которое должно открываться и закрываться, но микрочипы выгравированы на кремниевых пластинах, у которых нет движущихся частей. Итак, как ворота открываются и закрываются?

Ларри Виссел, инженер по приложениям ASIC в IBM Microelectronics, отвечает:

«Те из нас, кто разрабатывает логические ворота для компьютеров, редко вспоминают, как термины, которые мы используем для описания технологий, вошли в обиход.Видение качающегося взад и вперед затвора явно не отражает буквально структуры на кремниевом кристалле. Но причину использования термина «вентиль» для компьютерной логики можно понять, исследуя основную функцию шлюза: управление потоком.

«На ферме ворота могут использоваться для управления« потоком »овец или коз между загонами. В этом случае ворота представляют собой физический барьер, положение которого контролируется фермером. Фермер принимает решение о потоке овец или коз. животных, а затем перемещает физический барьер, чтобы обеспечить желаемый поток.

«В компьютере затвор управляет прохождением электрического тока через цепь. Затвор состоит из транзисторов; транзисторы выбираются разработчиком микросхемы из двух основных типов (транзисторы PMOS и NMOS), которые присутствуют в широко распространенных CMOS (дополнительных металл-оксидный полупроводник). Ток, протекающий через затвор, устанавливает напряжение в определенной точке цепи. Это напряжение представляет собой один «бит» информации. Напряжение может быть высоким (представляющим значение «1») или низкий (представляющий значение «0»).

«Чтобы установить единицу в цепи, ток направляется в цепь (управляется) путем« включения »транзистора PMOS, подключенного между цепью и положительным напряжением питания. Напряжение питания обычно является стандартным для отрасли значением, например 3,3 или 5,0 В. В течение очень короткого интервала, необходимого для переключения логического элемента (порядка наносекунды или миллиардной доли секунды), ток будет течь через транзистор PMOS от положительного источника питания к цепи. .

«Ток, который заряжает узел схемы до 0, направляется от схемы через другой тип транзистора (NMOS), подключенный между схемой и отрицательным напряжением питания или электрическим заземлением. Опять же, ток будет течь через транзистор NMOS. в течение очень короткого интервала, но для NMOS ток находится между цепью и отрицательным источником питания.В любом случае протекание тока приводит к изменению напряжения в цепи, а напряжение в цепи представляет собой бит информации.Итак, когда вентиль управляет потоком тока, он фактически контролирует поток информации.

«Возвращаясь к аналогии между фермой и компьютерным чипом, очевидно, что поток отличается (сельскохозяйственные животные по сравнению с информацией) и что сам затвор другой (физический барьер по сравнению с транзистором в технологии CMOS). Но Наиболее важным отличием является способ управления потоком: на ферме фермер сбрасывает местоположение ворот, принимая решение, а затем перемещая физический барьер.Поток животных через сложный лабиринт ворот потребует участия фермеров у каждых ворот.

«Но в компьютерном чипе механизм управления - это напряжение на управляющем выводе транзистора. Это напряжение включает транзистор, изменяя его характеристики с разомкнутой цепи (положение« выключено ») на такое, которое может проводить небольшой ток.Это управляющее напряжение, в свою очередь, уже доступно внутри микросхемы как напряжение в точке другой цепи.И, будучи напряжением в цепи, этот механизм управления представляет другой бит информации.

"Подавляющая вычислительная мощность логических вентилей проистекает из того факта, что на выходе любого конкретного логического элемента есть напряжение, которое, в свою очередь, может использоваться для управления другим вентилем. Таким образом, компьютерный чип может быть спроектирован так, чтобы принимать сложные решения о потоке информации внутри Эта способность позволяет создавать сложные системы, соединяя до миллиона ворот в одной микросхеме. И все это без участия фермеров и движущихся частей ».

Так Нин из IBM T.Исследовательский центр Дж. Ватсона добавляет некоторые дополнительные сведения:

«Логический вентиль в микрочипе состоит из определенного набора транзисторов. Для современных микрочипов используются транзисторы типа, называемые полевым транзистором металл-оксид-полупроводник (MOSFET), а в качестве полупроводника используется кремний. MOSFET имеет три компонента или области: область истока, область стока и область канала, имеющую затвор над ней.Три области расположены горизонтально рядом друг с другом, с областью канала посередине.

«В схеме с логическим вентилем каждый из полевых МОП-транзисторов работает как переключатель. Переключатель замкнут или полевой МОП-транзистор включен, если электрический ток может легко течь от истока к стоку. Переключатель разомкнут, или МОП-транзистор включен. отключается, если электрический ток не может течь от источника к стоку.

«Области истока и стока полевого МОП-транзистора изготовлены так, чтобы они были заполнены электронами, готовыми проводить ток. С другой стороны, область канала спроектирована так, чтобы в нормальных условиях не было электронов, что блокирует движение тока.Следовательно, в нормальных условиях полевой МОП-транзистор выключен (или открыт), и ток не может течь от истока к стоку.

«Если на затвор (который находится наверху области канала) приложено положительное напряжение, то электроны, которые имеют отрицательный заряд, будут притягиваться к затвору.

0 comments on “Схема и не на транзисторах: Схемная реализация логических элементов И-ИЛИ-НЕ и других

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *