Trong bài đăng này, chúng ta sẽ học cách xây dựng các cổng logic NOT, AND, NAND, OR và NOR bằng cách sử dụng các bóng bán dẫn rời rạc. Ưu điểm chính của việc sử dụng cổng logic bóng bán dẫn là chúng có thể hoạt động ngay cả với điện áp thấp tới 1,5 V.
Trong một số ứng dụng điện tử, điện áp khả dụng có thể không đủ để cấp nguồn cho các IC TTL hoặc thậm chí là CMOS. Điều này đặc biệt đúng đối với các thiết bị chạy bằng pin. Không nghi ngờ gì nữa, bạn luôn có tùy chọn IC logic 3-volt. Tuy nhiên, chúng không phải lúc nào cũng dễ dàng tiếp cận đối với người đam mê hoặc người thử nghiệm và chúng không hoạt động dưới thông số kỹ thuật điện áp xác định của chúng (thường là dưới 2,5 volt DC).
Hơn nữa, có thể chỉ có chỗ cho một pin 1,5 vôn duy nhất trong một ứng dụng chạy bằng pin. Vậy thì bạn sẽ làm gì? Thường xuyên Cổng logic IC có thể được thay thế bằng các cổng logic transistorized. Đối với mỗi cổng logic cụ thể, thường chỉ cần một vài bóng bán dẫn và đối với logic biến tần cổng NOT điển hình, chỉ cần một bóng bán dẫn.
FET so với Bipolar Transistor
Bóng bán dẫn hiệu ứng trường (FET) vs bóng bán dẫn lưỡng cực : lựa chọn nào tốt hơn cho mạch logic điện áp thấp? Một tính năng tuyệt vời của SỰ THẬT là sức đề kháng 'bật' của họ là cực kỳ thấp. Ngoài ra, chúng cần dòng điện bật cổng rất thấp.
Tuy nhiên, chúng có một hạn chế trong các ứng dụng điện áp cực thấp. Thông thường, giới hạn điện áp cổng là một vôn hoặc hơn. Hơn nữa, điện áp có sẵn có thể giảm xuống dưới phạm vi làm việc tối ưu của FET nếu một điện trở giới hạn dòng hoặc kéo xuống được gắn vào cổng.
Ngược lại, các bóng bán dẫn chuyển mạch lưỡng cực có lợi thế hơn trong các ứng dụng pin đơn, điện áp cực thấp vì chúng chỉ cần 0,6 đến 0,7 vôn để bật.
Hơn nữa, phần lớn các FET phổ biến, thường được bán trong các gói bong bóng tại cửa hàng điện tử gần nhất của bạn thường đắt hơn bóng bán dẫn lưỡng cực. Ngoài ra, một số lượng lớn các bóng bán dẫn lưỡng cực thường có thể được mua với giá của một cặp FET.
Xử lý FET đòi hỏi sự cẩn thận hơn đáng kể so với xử lý bóng bán dẫn lưỡng cực. Việc sử dụng sai mục đích tĩnh điện và thí nghiệm nói chung làm cho FET đặc biệt dễ bị hư hỏng. Các thành phần bị cháy có thể làm hỏng một buổi tối thử nghiệm hoặc đổi mới thú vị, sáng tạo, đừng quên cảm giác đau đớn khi gỡ lỗi.
Khái niệm cơ bản về chuyển mạch bóng bán dẫn
Các ví dụ về mạch logic được giải thích trong bài viết này sử dụng các bóng bán dẫn NPN lưỡng cực vì chúng có giá cả phải chăng và không cần xử lý đặc biệt. Để tránh làm hỏng thiết bị hoặc các bộ phận hỗ trợ thiết bị, nên thực hiện các biện pháp an toàn phù hợp trước khi kết nối mạch của bạn.
Mặc dù các mạch của chúng tôi chủ yếu tập trung vào các bóng bán dẫn kết nối lưỡng cực (BJT), chúng cũng có thể được cấu tạo bằng công nghệ FET.
Mạch chuyển mạch cơ bản là một ứng dụng bóng bán dẫn đơn giản, là một trong những thiết kế dễ dàng nhất.
Tạo cổng NOT với một bóng bán dẫn đơn
Sơ đồ của công tắc bóng bán dẫn được thể hiện trong Hình 1. Tùy thuộc vào cách nó được thực hiện trong một ứng dụng cụ thể, công tắc có thể được coi là giữ ở mức thấp hoặc thường mở.
Một cổng logic biến tần KHÔNG đơn giản có thể được tạo ra bằng mạch chuyển đổi đơn giản được hiển thị trong Hình 1 (trong đó điểm A là đầu vào). Cổng NOT hoạt động theo cách mà nếu không có phân cực DC nào được cung cấp cho đế của bóng bán dẫn (điểm A; Q1), nó sẽ vẫn tắt, dẫn đến mức cao hoặc mức logic 1 (bằng mức V +) ở đầu ra ( điểm B).
Tuy nhiên, bóng bán dẫn sẽ kích hoạt khi phân cực thích hợp được cung cấp cho gốc Q1, đẩy đầu ra của mạch xuống thấp hoặc về mức logic 0 (gần như bằng 0 điện thế). Bóng bán dẫn, được chỉ định là Q1, là bóng bán dẫn lưỡng cực có mục đích chung, hoặc BC547, thường được sử dụng trong các ứng dụng chuyển mạch và khuếch đại công suất thấp.
Bất kỳ bóng bán dẫn nào tương đương với nó (chẳng hạn như 2N2222, 2N4401, v.v.) sẽ hoạt động. Giá trị của R1 và R2 đã được chọn để đạt được sự thỏa hiệp giữa khả năng tương thích của dòng điện thấp và khả năng tương thích. Trong tất cả các thiết kế, điện trở đều là 1/4 watt, 5% đơn vị.
Điện áp cung cấp có thể điều chỉnh giữa 1,4 và 6 volt DC. Lưu ý rằng mạch có thể hoạt động giống như một bộ đệm khi điện trở tải và kết nối đầu ra được chuyển sang bộ phát của bóng bán dẫn.
Tạo cổng đệm bằng BC547 BJT đơn
Bộ theo điện áp, hoặc bộ khuếch đại đệm, là một loại cấu hình chuyển mạch logic giống như trong Hình 2. Cần lưu ý rằng điện trở tải và cực đầu ra đã được dịch chuyển từ cực thu của bóng bán dẫn sang cực phát của nó trong mạch này, đó là sự khác biệt cơ bản giữa thiết kế này và thiết kế được thể hiện trong Hình 1.
Hoạt động của bóng bán dẫn cũng có thể bị 'đảo lộn' bằng cách di chuyển điện trở tải và đầu cuối đầu ra sang đầu kia của BJT.
Nói cách khác, khi không có phân cực nào được cung cấp cho đầu vào của mạch, thì đầu ra của mạch vẫn ở mức thấp; tuy nhiên, khi phân cực điện áp thích hợp được cung cấp cho đầu vào của mạch, đầu ra của mạch sẽ chuyển sang mức cao. (Điều đó hoàn toàn ngược lại với những gì xảy ra trong mạch trước đó.)
Thiết kế cổng logic hai đầu vào sử dụng bóng bán dẫn
Cổng AND sử dụng hai bóng bán dẫn
Hình 3 minh họa cách một cổng AND hai đầu vào cơ bản có thể được tạo ra bằng cách sử dụng một cặp bộ đệm, cùng với bảng chân trị cho cổng đó. Bảng sự thật minh họa kết quả đầu ra sẽ như thế nào đối với từng tập hợp đầu vào riêng biệt. Điểm A và B được sử dụng làm đầu vào của mạch và điểm C dùng làm đầu ra của mạch.
Điều quan trọng cần lưu ý từ bảng sự thật là chỉ một tập hợp các tham số đầu vào dẫn đến tín hiệu đầu ra mức logic cao, trong khi tất cả các kết hợp đầu vào khác dẫn đến đầu ra mức logic thấp. Đầu ra của cổng AND trong Hình 3 vẫn thấp hơn một chút so với V + một khi nó chuyển sang mức cao.
Điều này xảy ra do sự sụt giảm điện áp giữa hai bóng bán dẫn (Q1 và Q2).
Cổng NAND sử dụng hai bóng bán dẫn
Một biến thể khác của mạch trong Hình 3 và bảng sự thật liên quan được hiển thị trong Hình 4. Mạch biến thành cổng NAND bằng cách dịch chuyển đầu ra (điểm C) và điện trở đầu ra tới bộ thu (Q1) của bóng bán dẫn trên.
Vì cả Q1 và Q2 cần được bật ON để kéo phía thấp của R1 xuống đất, tổn thất điện áp ở đầu ra C là không đáng kể.
Nếu cổng AND của bóng bán dẫn hoặc cổng NAND của bóng bán dẫn cần nhiều hơn hai đầu vào, thì nhiều bóng bán dẫn hơn có thể được kết nối trong các thiết kế được hiển thị để cung cấp ba, bốn, v.v., cổng AND hoặc NAND đầu vào.
Tuy nhiên, để bù đắp cho tổn thất điện áp của các bóng bán dẫn riêng lẻ, V + nên được tăng lên tương ứng.
HOẶC Cổng sử dụng hai bóng bán dẫn
Một dạng khác của mạch logic với hai đầu vào có thể được nhìn thấy trong Hình 5, cùng với bảng chân trị của mạch cổng OR.
Đầu ra của mạch cao khi đầu vào A hoặc đầu vào B được đẩy lên cao, tuy nhiên do các bóng bán dẫn phân tầng, điện áp giảm trên 0,5 volt. Tuy nhiên, một lần nữa, các số liệu hiển thị cho thấy có đủ điện áp và dòng điện để vận hành cổng bóng bán dẫn tiếp theo.
Cổng NOR sử dụng hai bóng bán dẫn
Hình 6 mô tả cổng tiếp theo trong danh sách của chúng ta, cổng NOR hai đầu vào, cùng với bảng chân trị của nó. Tương tự như cách các cổng AND và NAND phản hồi với nhau, các mạch OR và NOR cũng làm như vậy.
Mỗi cổng được hiển thị có khả năng cung cấp đủ ổ đĩa để kích hoạt ít nhất một hoặc nhiều cổng bóng bán dẫn liền kề.
Ứng dụng cổng logic bóng bán dẫn
Bạn sẽ làm gì với các mạch kỹ thuật số được giải thích ở trên mà bạn đang sở hữu? Bất cứ điều gì bạn có thể thực hiện với cổng TTL hoặc CMOS thông thường, nhưng không phải lo lắng về các hạn chế điện áp cung cấp. Dưới đây là một vài ứng dụng của cổng logic bóng bán dẫn trong hoạt động.
Mạch Demultiplexer
Hình 7. Đầu ra thích hợp được chọn bằng cách sử dụng 'đầu vào địa chỉ' một bit, có thể là OUTPUT1 hoặc OUTPUT2, trong khi thông tin điều khiển được áp dụng vào mạch bằng cách sử dụng đầu vào DATA.
Mạch hoạt động hiệu quả nhất khi tốc độ dữ liệu được duy trì dưới 10 kHz. Chức năng của mạch rất đơn giản. Đầu vào DATA được cung cấp tín hiệu yêu cầu, tín hiệu này sẽ BẬT Q3 và đảo dữ liệu đến tại bộ thu của Q3.
Đầu ra của Q1 được điều chỉnh cao nếu đầu vào ADDRESS ở mức thấp (nối đất hoặc không có tín hiệu được cung cấp). Tại bộ thu của Q1, sản lượng cao được chia thành hai con đường. Trong đường dẫn đầu tiên, đầu ra của Q1 được cung cấp cho chân đế của Q5 (một trong các chân của cổng NAND hai đầu vào), bật nó lên và do đó 'kích hoạt' cổng NAND được tạo thành từ Q4 và Q5.
Trong con đường thứ hai, đầu ra cao của Q1 được đồng thời cung cấp vào đầu vào của một cổng NOT (Q2) khác. Sau khi trải qua quá trình đảo ngược kép, sản lượng của quý 2 trở nên thấp. Mức thấp này được cung cấp cho cơ sở của Q7 (một đầu cuối của cổng NAND thứ hai, được tạo thành từ Q6 và Q7), do đó sẽ tắt mạch NAND.
Mọi thông tin hoặc tín hiệu được áp dụng cho đầu vào DATA đều đến OUTPUT1 trong những trường hợp này. Ngoài ra, tình hình sẽ đảo ngược nếu tín hiệu cao được cấp cho đầu vào ADDRESS. Có nghĩa là, bất kỳ thông tin nào được cung cấp cho mạch sẽ hiển thị tại OUTPUT2 vì cổng NAND Q4 / Q5 bị vô hiệu hóa và cổng NAND Q6 / Q7 được kích hoạt.
Mạch tạo dao động (Máy tạo đồng hồ)
Ứng dụng cổng logic bóng bán dẫn tiếp theo của chúng tôi, được minh họa trong Hình 8, là một bộ tạo xung nhịp cơ bản (còn được gọi là bộ dao động) được tạo ra từ ba bộ biến tần cổng NOT thông thường (một trong số đó được phân cực bằng cách sử dụng điện trở phản hồi, R2, đặt nó vào vùng tương tự).
Để loại bỏ đầu ra, một cổng NOT thứ ba (Q3) cung cấp phần bổ sung cho đầu ra bộ dao động được bao gồm. Giá trị C1 có thể được tăng hoặc giảm để thay đổi tần số hoạt động của mạch. Dạng sóng đầu ra có tần số khoảng 7 kHz với V + ở 1,5 vôn DC, sử dụng các giá trị thành phần được chỉ định.
Mạch chốt RS
Hình 9 cho thấy mạch ứng dụng cuối cùng của chúng tôi, một chốt RS được tạo thành từ hai cổng NOR. Để đảm bảo ổ đĩa đầu ra khỏe mạnh ở đầu ra Q và Q, điện trở R3 và R4 được điều chỉnh thành 1k ohms.
Bảng sự thật của chốt RS được hiển thị cùng với thiết kế sơ đồ. Đây chỉ là một vài minh họa về một số mạch cổng logic, điện áp thấp, đáng tin cậy, có thể được tạo ra bằng cách sử dụng các bóng bán dẫn riêng lẻ.
Mạch sử dụng logic transistorized cần quá nhiều bộ phận
Nhiều vấn đề có thể được giải quyết bằng cách sử dụng tất cả các mạch logic bóng bán dẫn điện áp thấp này. Tuy nhiên, việc sử dụng quá nhiều cổng transistorized này có thể dẫn đến các vấn đề mới.
Số lượng bóng bán dẫn và điện trở có thể khá lớn nếu ứng dụng bạn đang xây dựng chứa một lượng lớn các cổng, chiếm không gian có giá trị.
Sử dụng mảng bóng bán dẫn (nhiều bóng bán dẫn được bọc trong nhựa) và điện trở SIP (Gói nội tuyến đơn) thay cho các đơn vị riêng lẻ là một cách để giải quyết vấn đề này.
Cách tiếp cận trên có thể tiết kiệm hàng tấn dung lượng trên pcb trong khi vẫn duy trì hiệu suất ngang bằng với các thiết bị tương đương có kích thước đầy đủ của chúng. Các mảng bóng bán dẫn được cung cấp dưới dạng đóng gói gắn trên bề mặt, 14 chân xuyên lỗ và gói quad.
Đối với hầu hết các mạch, việc trộn các loại bóng bán dẫn có thể khá chấp nhận được.
Tuy nhiên, người thử nghiệm nên làm việc với một loại bóng bán dẫn duy nhất để xây dựng các mạch logic bóng bán dẫn (nghĩa là nếu bạn tạo một phần của cổng bằng BC547, thì hãy thử sử dụng cùng một BJT để tạo các cổng còn lại khác).
Lý do là các biến thể bóng bán dẫn khác nhau có thể có các đặc tính hơi khác nhau và do đó có thể hoạt động khác nhau.
Ví dụ, đối với một số bóng bán dẫn, giới hạn BẬT của công tắc cơ sở có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn một bóng bán dẫn khác, hoặc một bóng bán dẫn có thể có độ lợi dòng điện tổng thể cao hơn hoặc thấp hơn một chút.
Mặt khác, chi phí mua một hộp số lượng lớn của một loại bóng bán dẫn cũng có thể thấp hơn. Hiệu suất của các mạch của bạn sẽ được cải thiện nếu các cổng logic của bạn được xây dựng bằng cách sử dụng các bóng bán dẫn phù hợp, và toàn bộ dự án cuối cùng sẽ mang lại nhiều lợi ích hơn.
