في هذا المنشور سوف نتعلم كيفية بناء بوابات منطقية NOT و AND و NAND و OR و NOR باستخدام ترانزستورات منفصلة. الميزة الرئيسية لاستخدام بوابات منطق الترانزستور هي أنها يمكن أن تعمل حتى مع الفولتية المنخفضة التي تصل إلى 1.5 فولت.
في بعض التطبيقات الإلكترونية ، قد يكون الجهد المتاح غير كافٍ لتشغيل TTL أو حتى CMOS ICs. هذا صحيح بشكل خاص للأجهزة التي تعمل بالبطاريات. لا شك أن لديك دائمًا خيار IC منطق 3 فولت. ومع ذلك ، لا يمكن الوصول إليها بسهولة دائمًا للمتحمسين أو المجربين ، ولا تعمل دون مواصفات الجهد المحددة (بشكل عام أقل من 2.5 فولت تيار مستمر).
علاوة على ذلك ، قد يكون هناك مكان فقط لبطارية واحدة بقوة 1.5 فولت في تطبيق يعمل بالبطارية. حسنًا ، إذن ماذا ستفعل؟ عادة بوابات منطقية IC يمكن استبدالها بالبوابات المنطقية الترانزستور. لكل بوابة منطقية معينة ، يلزم وجود ترانزستورات فقط ، وبالنسبة لمنطق بوابة العاكس NOT النموذجي ، يلزم وجود ترانزستور واحد فقط.
FETs مقابل الترانزستور ثنائي القطب
ترانزستورات تأثير المجال (FETs) مقابل الترانزستورات ثنائية القطب : ما هو الخيار الأفضل للدوائر المنطقية ذات الجهد المنخفض؟ ميزة واحدة رائعة من حقائق هو أن مقاومتهم 'المستمرة' منخفضة بشكل لا يصدق. بالإضافة إلى ذلك ، يحتاجون إلى تيار تشغيل بوابة منخفض جدًا.
ومع ذلك ، لديهم قيد واحد في تطبيقات الجهد المنخفض للغاية. عادةً ما يكون حد جهد البوابة واحد فولت أو نحو ذلك. علاوة على ذلك ، قد ينخفض الجهد المتاح إلى ما دون نطاق العمل الأمثل لـ FET إذا تم توصيل المقاوم المحدد أو المنسدل بالبوابة.
على العكس من ذلك ، تتمتع ترانزستورات التحويل ثنائية القطب بميزة في تطبيقات ذات الجهد المنخفض للغاية ، والبطارية المفردة لأنها لا تحتاج إلا إلى 0.6 إلى 0.7 فولت لتشغيلها.
علاوة على ذلك ، فإن غالبية FETs الشائعة ، والتي تُباع عادةً في عبوات فقاعية في أقرب متجر إلكترونيات ، غالبًا ما تكون أكثر تكلفة من الترانزستورات ثنائية القطب. أيضًا ، يمكن عمومًا شراء حزمة كبيرة من الترانزستورات ثنائية القطب بسعر زوج من FETs.
تتطلب معالجة FET عناية أكبر بكثير من معالجة الترانزستور ثنائي القطب. يؤدي سوء الاستخدام التجريبي العام والكهرباء الساكنة إلى جعل FETs معرضة بشكل خاص للتلف. قد تدمر المكونات المحترقة أمسية ممتعة وخلاقة من التجريب أو الابتكار ، ناهيك عن الألم العاطفي لتصحيح الأخطاء.
أساسيات تبديل الترانزستورات
تستخدم أمثلة الدوائر المنطقية الموضحة في هذه المقالة ترانزستورات NPN ثنائية القطب لأنها ميسورة التكلفة ولا تحتاج إلى معالجة خاصة. لتجنب إتلاف الجهاز أو الأجزاء التي تدعمه ، يجب اتخاذ تدابير السلامة المناسبة قبل توصيل دائرتك.
على الرغم من أن داراتنا تتركز في الغالب على الترانزستورات ثنائية القطب (BJTs) ، إلا أنه كان من الممكن أن يتم بناؤها بشكل جيد باستخدام تقنية FET.
دارة التبديل الأساسية هي تطبيق ترانزستور بسيط ، وهو أحد أسهل التصميمات.
صنع بوابة NOT بترانزستور واحد
يظهر الشكل التخطيطي لمفتاح الترانزستور في الشكل 1. اعتمادًا على كيفية تنفيذه في تطبيق معين ، يمكن اعتبار المفتاح إما منخفضًا أو مفتوحًا بشكل طبيعي.
يمكن إنشاء بوابة منطقية بسيطة لعكس البوابة NOT بواسطة دائرة التبديل المباشرة الموضحة في الشكل 1 (حيث النقطة A هي المدخل). تعمل بوابة NOT بطريقة أنه إذا لم يتم توفير تحيز للتيار المستمر لقاعدة الترانزستور (النقطة A ؛ Q1) ، فستظل مغلقة ، مما يؤدي إلى ارتفاع أو منطق 1 (يساوي مستوى V +) عند الإخراج ( النقطة ب).
ومع ذلك ، يتم تنشيط الترانزستور عندما يتم توفير التحيز المناسب لقاعدة Q1 ، مما يؤدي إلى انخفاض ناتج الدائرة أو إلى المنطق 0 (يساوي تقريبًا احتمال الصفر). الترانزستور ، المعين Q1 ، هو ترانزستور ثنائي القطب للأغراض العامة ، أو BC547 ، والذي يستخدم عادة في تطبيقات تبديل الطاقة المنخفضة ومكبرات الصوت.
أي ترانزستور مكافئ لها (مثل 2N2222 ، 2N4401 ، إلخ) سيعمل. تم اختيار قيم R1 و R2 للتوصل إلى حل وسط بين استنزاف التيار المنخفض والتوافق. في كل التصميمات المقاومات كلها 1/4 واط ، 5٪ وحدة.
جهد التغذية قابل للتعديل بين 1.4 و 6 فولت تيار مستمر. لاحظ أن الدائرة يمكن أن تعمل مثل المخزن المؤقت عندما يتم تحويل مقاوم الحمل واتصال الإخراج إلى باعث الترانزستور.
صنع بوابة عازلة باستخدام واحد BC547 BJT
متابع الجهد ، أو مضخم المخزن المؤقت ، هو نوع من تكوين التبديل المنطقي مطابق لتلك الموضحة في الشكل 2. وتجدر الإشارة إلى أن مقاوم الحمل ومحطة الخرج قد تم تحويلهما من مجمع الترانزستور إلى الباعث في هذه الدائرة ، وهو الفرق الأساسي بين هذا التصميم والتصميم الموضح في الشكل 1.
يمكن أيضًا 'قلب' عمل الترانزستور عن طريق تحريك مقاوم الحمل ومحطة الخرج إلى الطرف الآخر من BJT.
بمعنى آخر ، عندما لا يتم توفير أي تحيز لمدخل الدائرة ، يظل خرج الدائرة منخفضًا ؛ ومع ذلك ، عندما يتم توفير انحياز للجهد الكافي لمدخل الدائرة ، فإن خرج الدائرة يرتفع. (هذا بالضبط عكس ما يحدث في الدائرة السابقة).
تصميم بوابات منطقية ثنائية المدخلات باستخدام الترانزستورات
AND بوابة باستخدام اثنين من الترانزستورات
يوضح الشكل 3 كيف يمكن إنشاء بوابة AND ذات دخلين أساسيين باستخدام زوج من المخازن المؤقتة ، جنبًا إلى جنب مع جدول الحقيقة لتلك البوابة. يوضح جدول الحقيقة ما ستكون عليه نتائج المخرجات لكل مجموعة مميزة من المدخلات. يتم استخدام النقطتين A و B كمدخلات للدائرة ، وتعمل النقطة C كمخرج للدائرة.
من المهم أن نلاحظ من جدول الحقيقة أن مجموعة واحدة فقط من معلمات الإدخال ينتج عنها إشارة خرج منطقية عالية ، بينما تؤدي جميع مجموعات الإدخال الأخرى إلى إخراج منطقي منخفض. يظل ناتج البوابة AND في الشكل 3 أقل بقليل من V + بمجرد ارتفاعه.
يحدث هذا بسبب انخفاض الجهد بين الترانزستورين (Q1 و Q2).
بوابة NAND باستخدام اثنين من الترانزستورات
يوجد شكل آخر للدائرة في الشكل 3 وجدول الحقيقة المرتبط به موضح في الشكل 4. تتحول الدائرة إلى بوابة NAND عن طريق تحويل الخرج (النقطة C) والمقاوم الناتج إلى جامع الترانزستور العلوي (Q1).
نظرًا لأن كلاً من Q1 و Q2 يحتاجان إلى التبديل إلى وضع التشغيل لسحب الجانب المنخفض من R1 إلى الأرض ، فإن فقد الجهد عند الخرج C غير مهم.
إذا احتاج الترانزستور و أو الترانزستور بوابات NAND إلى أكثر من مدخلين ، فيمكن توصيل المزيد من الترانزستورات في التصميمات الموضحة لتوفير ثلاثة ، أربعة ، إلخ ، مدخلات و أو بوابات NAND.
ومع ذلك ، من أجل التعويض عن فقد الجهد للترانزستورات الفردية ، يجب زيادة V + في المقابل.
أو بوابة باستخدام اثنين من الترانزستورات
يمكن رؤية شكل آخر من أشكال الدوائر المنطقية مع مدخلين في الشكل 5 ، جنبًا إلى جنب مع جدول الحقيقة لدائرة OR-gate.
يكون خرج الدائرة مرتفعًا عندما يتم دفع إما الإدخال A أو الإدخال B عالياً ، ولكن بسبب الترانزستورات المتتالية ، يكون انخفاض الجهد أكثر من 0.5 فولت. مرة أخرى ، تشير الأرقام المعروضة إلى وجود جهد وتيار كافيين لتشغيل بوابة الترانزستور اللاحقة.
بوابة NOR باستخدام اثنين من الترانزستورات
يصور الشكل 6 البوابة التالية في قائمتنا ، بوابة NOR ثنائية المدخلات ، جنبًا إلى جنب مع جدول الحقيقة الخاص بها. على غرار كيفية استجابة بوابات AND و NAND لبعضها البعض ، فإن دوائر OR و NOR تفعل الشيء نفسه.
كل من البوابات المعروضة قادرة على توفير محرك أقراص كافٍ لتنشيط واحد أو أكثر من بوابات الترانزستور المجاورة.
تطبيقات بوابة منطق الترانزستور
ماذا تفعل بالدوائر الرقمية الموضحة أعلاه التي تمتلكها الآن؟ أي شيء يمكنك إنجازه باستخدام بوابات TTL أو CMOS التقليدية ، ولكن دون القلق بشأن قيود جهد الإمداد. فيما يلي بعض تطبيقات بوابات الترانزستور المنطقية.
حلبة ديمولتيبليكسير
يظهر الشكل 1 من 2 مزيل تعدد الإرسال مع ثلاث بوابات NOT ودائرتين NAND في الشكل 7. يتم اختيار الإخراج المناسب باستخدام 'إدخال العنوان' بت واحد ، والذي قد يكون إما OUTPUT1 أو OUTPUT2 ، أثناء تطبيق معلومات القيادة إلى الدائرة باستخدام إدخال البيانات.
تعمل الدائرة بشكل أكثر فاعلية عندما يتم الحفاظ على معدل البيانات تحت 10 كيلو هرتز. وظائف الدائرة مباشرة. يتم تزويد إدخال البيانات بالإشارة المطلوبة ، والتي تعمل على تشغيل Q3 وتعكس البيانات الواردة في مجمع Q3.
يكون خرج Q1 مرتفعًا إذا كان إدخال ADDRESS منخفضًا (مؤرض أو لم يتم توفير إشارة). في مجمع Q1 ، ينقسم الإنتاج المرتفع إلى مسارين. في المسار الأول ، يتم توفير خرج Q1 لقاعدة Q5 (أحد أرجل بوابة NAND ذات المدخلين) ، وتشغيلها وبالتالي 'تنشيط' بوابة NAND المكونة من Q4 و Q5.
في المسار الثاني ، يتم توفير الخرج العالي لـ Q1 بشكل متزامن في مدخلات بوابة NOT أخرى (Q2). بعد الخضوع لانقلاب مزدوج ، يتحول إنتاج Q2 إلى الانخفاض. يتم تزويد هذا المستوى المنخفض بقاعدة Q7 (محطة واحدة لبوابة NAND ثانية ، تتكون من Q6 و Q7) ، وبالتالي إيقاف تشغيل دائرة NAND.
أي معلومات أو إشارة يتم تطبيقها على إدخال البيانات تصل إلى OUTPUT1 في ظل هذه الظروف. بدلاً من ذلك ، يتم عكس الموقف إذا تم إعطاء إشارة عالية لمدخل ADDRESS. بمعنى ، ستظهر أي معلومات مقدمة إلى الدائرة في OUTPUT2 نظرًا لتعطيل بوابة Q4 / Q5 NAND وتم تمكين بوابة Q6 / Q7 NAND.
دائرة المذبذب (مولد الساعة)
تطبيق البوابة المنطقية للترانزستور التالي ، الموضح في الشكل 8 ، هو مولد ساعة أساسي (يُعرف أيضًا باسم مذبذب) مصنوع من ثلاثة محولات بوابة NOT (أحدها متحيز باستخدام مقاوم التغذية المرتدة ، R2 ، والذي يضعه في المنطقة التناظرية).
لتربيع الخرج ، يتم تضمين بوابة ثالثة NOT (Q3) توفر تكملة لإخراج المذبذب. يمكن زيادة أو تقليل قيمة C1 لتغيير تردد تشغيل الدائرة. شكل الموجة الناتج له تردد يبلغ حوالي 7 كيلو هرتز مع V + عند 1.5 فولت تيار مستمر ، باستخدام قيم المكونات المشار إليها.
حلبة مزلاج RS
يوضح الشكل 9 دائرة التطبيق النهائية لدينا ، وهي مزلاج RS مكون من بوابتين NOR. من أجل ضمان محرك إخراج سليم عند مخرجات Q و Q ، يتم ضبط المقاومات R3 و R4 على 1 كيلو أوم.
يتم عرض جدول الحقيقة الخاص بمزلاج RS بجانب التصميم التخطيطي. هذه ليست سوى عدد قليل من الرسوم التوضيحية للعديد من الدوائر الرقمية الجديرة بالثقة وذات الجهد المنخفض والبوابة المنطقية التي يمكن إنشاؤها باستخدام ترانزستورات فردية.
تحتاج الدوائر التي تستخدم منطق الترانزستور إلى أجزاء كثيرة جدًا
يمكن حل العديد من المشكلات باستخدام كل هذه الدوائر المنطقية ذات الترانزستور منخفضة الجهد. ومع ذلك ، فإن استخدام الكثير من هذه البوابات ذات الترانزستور قد يؤدي إلى مشكلات جديدة.
قد يصبح عدد الترانزستورات والمقاومات ضخمًا إلى حد ما إذا كان التطبيق الذي تقوم ببنائه يحتوي على كمية كبيرة من البوابات ، والتي تحتل مساحة قيمة.
يعد استخدام صفائف الترانزستور (العديد من الترانزستورات المغطاة بالبلاستيك) ومقاومات SIP (حزمة مضمنة واحدة) بدلاً من الوحدات الفردية إحدى الطرق لحل هذه المشكلة.
يمكن أن يوفر النهج أعلاه طنًا من المساحة على ثنائي الفينيل متعدد الكلور مع الحفاظ على أداء مساوٍ لأداء مكافئاتها بالحجم الكامل. يتم تقديم صفيفات الترانزستور في عبوات سطحية ، و 14 دبوسًا عبر الفتحة ، ورباعية العبوات.
بالنسبة لمعظم الدوائر ، قد يكون خلط أنواع الترانزستور مقبولًا تمامًا.
ومع ذلك ، فمن المستحسن أن يعمل المجرب مع نوع واحد من الترانزستور لبناء الدوائر المنطقية الترانزستور (بمعنى إذا قمت بإنشاء قسم من البوابة باستخدام BC547 ، فحاول استخدام نفس BJT لإنشاء البوابات الأخرى المتبقية أيضًا).
السبب هو أن المتغيرات الترانزستور المختلفة يمكن أن يكون لها خصائص مختلفة إلى حد ما وبالتالي قد تتصرف بشكل مختلف.
على سبيل المثال ، بالنسبة لبعض الترانزستور ، قد يكون حد مفتاح التشغيل الأساسي أكبر أو أصغر من الآخر ، أو يمكن أن يكون لأحدها مكسب حالي أعلى أو أقل قليلاً.
من ناحية أخرى ، يمكن أن تكون تكلفة شراء صندوق كبير من نوع واحد من الترانزستور أقل أيضًا. سوف يتحسن أداء دوائرك إذا تم بناء بواباتك المنطقية باستخدام ترانزستورات متطابقة ، وسيكون المشروع بأكمله أكثر فائدة في نهاية المطاف.
