Ворота НЕ

Схема однотранзисторного инвертора, проиллюстрированная ранее, на самом деле слишком грубая, чтобы ее можно было использовать в качестве затвора. Реальные схемы инвертора содержат более одного транзистора для максимального увеличения напряжения (чтобы гарантировать, что конечный выходной транзистор находится либо в режиме полной отсечки, либо в полном насыщении), а также другие компоненты, предназначенные для уменьшения вероятности случайного повреждения.

Практическая принципиальная схема инвертора

Здесь показана принципиальная схема реальной схемы инвертора со всеми необходимыми компонентами для эффективной и надежной работы:

Эта схема состоит исключительно из резисторов, диодов и биполярных транзисторов. Имейте в виду, что другие схемы могут выполнять функцию затвора НЕ, включая схемы, заменяющие биполярные полевые транзисторы (обсуждаемые далее в этой главе).

Анализ работы схемы НЕ

Высокий ввод

Давайте проанализируем эту схему на предмет состояния, когда на входе «высокий» уровень или состояние двоичной «1». Мы можем смоделировать это, показав входной терминал, подключенный к V _cc через переключатель:

В этом случае диод D ₁ будет иметь обратное смещение и, следовательно, не будет проводить ток. Фактически, единственная цель наличия D ₁ в схеме, чтобы предотвратить повреждение транзистора в случае отрицательного напряжение на входе (отрицательное, а не положительное по отношению к земле напряжение).

При отсутствии напряжения между базой и эмиттером транзистора Q ₁ , мы также ожидаем отсутствия тока через него. Однако, как это ни странно, транзистор Q ₁ не используется, как это принято для транзисторов. На самом деле Q ₁ используется в этой схеме как не что иное, как пара диодов, соединенных спиной к спине. На следующей схеме показана реальная функция Q ₁ . :

Назначение этих диодов - «направлять» ток к базе транзистора Q ₂ или от нее. , в зависимости от логического уровня входа. При первом осмотре не совсем очевидно, как эти два диода «управляют» током, поэтому для понимания может потребоваться небольшой пример.

Предположим, у нас есть следующая схема диода / резистора, представляющая переходы база-эмиттер транзисторов Q ₂ и Q ₄ как одиночные диоды, убирая все остальные части схемы, чтобы мы могли сконцентрироваться на токе, «направляемом» через два встречных диода:

Когда переключатель входа находится в положении «вверх» (подключен к V _cc ) должно быть очевидно, что ток через левый диод управления Q ₁ не будет. , потому что в переключателе-диоде-R ₁ нет напряжения -переключить петлю, чтобы заставить электроны течь.

Однако там будет быть током через правый диод Q ₁ , а также через Q ₂ Диодный переход база-эмиттер и Q ₄ Диодный переход база-эмиттер:

Это говорит нам о том, что в реальной схеме затвора транзисторы Q ₂ и Q ₄ будут иметь базовый ток, который включит их для проведения тока коллектора.

Общее напряжение упало между базой Q ₁ (узел, соединяющий два встречных управляющих диода) и земля будут составлять около 2,1 В, что равно суммированному падению напряжения трех PN-переходов:правого управляющего диода, Q ₂ Диод база-эмиттер и Q ₄ Диод база-эмиттер.

Низкий ввод

Теперь переместим переключатель ввода в положение «вниз» и посмотрим, что произойдет:

Если бы мы измерили ток в этой цепи, мы бы обнаружили, что все тока проходит через левый рулевой диод Q ₁ и нет из него через правый диод. Почему это? По-прежнему кажется, что есть полный путь для тока через Q ₄ Диод, Q ₂ ‘Диод, правый диод пары, и R ₁ , так почему по этому пути не будет тока?

Помните, что диоды с PN-переходом - очень нелинейные устройства:они даже не начинают проводить ток, пока прямое напряжение, приложенное к ним, не достигнет определенного минимального значения, примерно 0,7 В для кремния и 0,3 В для германия. И затем, когда они начнут проводить ток, они не упадут более чем на 0,7 вольт.

Когда переключатель в этой цепи находится в положении «вниз», левый диод пары рулевых диодов является полностью проводящим, и поэтому на нем падает примерно 0,7 В и не более.

Напомним, что с переключателем в верхнем положении (транзисторы Q ₂ и Q ₄ проводимости), между этими двумя точками упало около 2,1 вольт (Q ₁ Основание и земля), что также является минимумом напряжение, необходимое для смещения трех последовательно соединенных кремниевых PN-переходов в состояние проводимости.

0,7 В, обеспечиваемое прямым падением напряжения на левом диоде, просто недостаточно, чтобы позволить любому электронному потоку проходить через последовательную цепочку правого диода Q ₂ Диод, а R ₃ // Q ₄ параллельная подсхема диодов, поэтому электроны не проходят через этот путь. При отсутствии тока через базы транзисторов Q ₂ или Q ₄ , ни один из них не сможет проводить ток коллектора:транзисторы Q ₂ и Q ₄ оба будут в состоянии отключения.

Следовательно, эта конфигурация схемы допускает 100-процентное переключение Q ₂ базовый ток (и, следовательно, управление остальной частью схемы затвора, включая напряжение на выходе) путем отвода тока через левый диод управления.

В случае нашей примерной схемы затвора, вход удерживается переключателем (подключенным к V _cc ). ), сделав левый рулевой диод (на нем упало нулевое напряжение). Однако правый диод рулевого управления проводит ток через базу Q ₂ . , через резистор R ₁ :

При наличии тока базы транзистор Q ₂ будет включен. В частности, он будет насыщенным . в силу более чем достаточного тока, допускаемого R ₁ через базу. С Q ₂ насыщенный, резистор R ₃ будет снижать напряжение, достаточное для смещения в прямом направлении перехода база-эмиттер транзистора Q ₄ , тем самым насыщая его:

С Q ₄ насыщенный, выходной терминал будет почти напрямую закорочен на землю, оставляя выходную клемму с напряжением (относительно земли) почти 0 вольт или двоичным логическим уровнем «0» («низкий»). Благодаря наличию диода D ₂ , между базой Q ₃ не будет напряжения и его эмиттер, чтобы включить его, поэтому он остается в отключенном состоянии.

Анализ низких входных и выходных данных

Давайте теперь посмотрим, что произойдет, если мы изменим логический уровень входа на двоичный «0», активировав переключатель входа:

Теперь через левый диод Q ₁ будет проходить ток. и нет тока через правый диод рулевого управления. Это устраняет ток через базу Q ₂ , выключив его.

С Q ₂ выключен, пути для Q ₄ больше нет базовый ток, поэтому Q ₄ также переходит в отсечку. Q ₃ , с другой стороны, теперь между его базой и землей падает достаточное напряжение, чтобы смещать в прямом направлении переход база-эмиттер и насыщать его, тем самым повышая выходное напряжение на клеммах до «высокого» состояния.

На самом деле выходное напряжение будет где-то около 4 В в зависимости от степени насыщения и любого тока нагрузки, но все же достаточно высоким, чтобы считаться «высоким» (1) логическим уровнем. На этом наше моделирование схемы инвертора завершено:вход «1» дает выход «0», и наоборот.

Наблюдения за схемой

Проницательный наблюдатель заметит, что вход этой схемы инвертора перейдет в «высокое» состояние, если останется плавающим (не подключенным ни к одному из V _cc или земля). Когда входная клемма остается неподключенной, ток через левый диод рулевого управления Q ₁ не будет. , оставляя все R ₁ Ток проходит через Q ₂ База, таким образом насыщая Q ₂ и переводит выход схемы в состояние «низкий»:

Транзисторно-транзисторная логика (TTL)

Тенденция такой схемы принимать состояние высокого входного сигнала, если она остается плавающей, характерна для всех схем затворов, основанных на этом типе конструкции, известной как T . трансистор-к- T ранзистор L ogic, или TTL . Эту характеристику можно использовать для упрощения конструкции выхода затвора. схемы, зная, что выходы ворот обычно управляют входами других ворот.

Если вход схемы затвора TTL принимает высокое состояние при плавающем состоянии, тогда выход любого затвора, управляющего входом TTL, должен только обеспечивать путь к земле для низкого состояния и быть плавающим для высокого состояния. Эта концепция может потребовать доработки для полного понимания, поэтому я подробно рассмотрю ее здесь.

Источники и утечки

Источники ресурсов

Схема затвора, которую мы только что проанализировали, может управлять выходным током в двух направлениях:внутрь и наружу. Технически это называется поиском и тонущий ток соответственно. Когда на выходе затвора высокий уровень, существует непрерывность от выходного терминала до V _cc через верхний выходной транзистор (Q ₃ ), позволяя электронам течь от земли через нагрузку к выходу затвора через эмиттер Q ₃ , и в конечном итоге до V _cc клемма питания (положительная сторона источника постоянного тока):

Чтобы упростить эту концепцию, мы можем показать выход схемы затвора как двухпозиционный переключатель, способный подключать выходной терминал либо к V _cc или земля, в зависимости от его состояния. Для логического элемента, выводящего «высокий» логический уровень, комбинация Q ₃ насыщенный и Q ₄ отсечка аналогична переключателю с двойным ходом в «V _cc Положение, обеспечивающее путь прохождения тока через заземленную нагрузку:

Обратите внимание, что этот двухпозиционный переключатель, показанный внутри символа затвора, представляет транзисторы Q ₃ и Q ₄ поочередно подключая выходной терминал к V _cc или земля, нет ранее показанного переключателя, отправляющего входной сигнал на ворота!

Тонущие токи

И наоборот, когда схема затвора выдает «низкий» логический уровень на нагрузку, это аналогично тому, как двухпозиционный переключатель устанавливается в положение «земля». Тогда ток будет идти в обратном направлении, если сопротивление нагрузки будет равно V _cc . :с земли через излучатель Q ₄ , через выходную клемму через сопротивление нагрузки и обратно к V _cc . В этом состоянии ворота считаются тонущими . текущий:

Требования для работы TTL

Комбинация Q ₃ и Q ₄ работает как «двухтактная» пара транзисторов (также известная как выход на тотемный полюс ) имеет возможность источника тока (притягивать ток к V _cc ) или потребляемый ток (выходной ток от земли) к нагрузке. Однако стандартный TTL-вентиль вход никогда не требует подачи тока, только затопленный. То есть, поскольку вход затвора TTL, естественно, принимает высокое состояние, если он оставлен плавающим, любому выходу затвора, управляющему входом TTL, нужен только ток потребления, чтобы обеспечить вход «0» или «низкий», и не требуется ток источника для обеспечения «1». »Или« высокий »логический уровень на входе приемного элемента:

Выход с открытым коллектором

Это означает, что у нас есть возможность упростить выходной каскад схемы затвора, чтобы исключить Q ₃ все вместе. Результат известен как выход с открытым коллектором . :

Для обозначения схемы выхода с открытым коллектором в стандартном символе затвора используется специальный маркер. Здесь показан символ затвора инвертора с выходом с открытым коллектором:

Имейте в виду, что состояние «высокого» по умолчанию входа с плавающим затвором верно только для схем TTL и не обязательно для других типов, особенно для логических вентилей, построенных из полевых транзисторов.

Обзор

• Инвертор, или НЕ, вентиль - это вентиль, который выводит состояние, противоположное входному. То есть «низкий» вход (0) дает «высокий» выход (1), и наоборот.
• Схемы затвора, состоящие из резисторов, диодов и биполярных транзисторов, как показано в этом разделе, называются TTL . . TTL - это аббревиатура от Transistor-to-Transistor Logic . . В схемах затвора используются и другие методологии проектирования, в некоторых из которых используются полевые транзисторы, а не биполярные транзисторы.
• Ворота считаются источником ток, когда он обеспечивает путь для тока между выходной клеммой и положительной стороной источника постоянного тока (V _cc ). Другими словами, он подключает выходной терминал к источнику питания . (+ V).
• Считается, что ворота тонут ток, когда он обеспечивает путь для тока между выходной клеммой и землей. Другими словами, это заземление (опускание) выходной клеммы.
• Затворные схемы с тотемным столбом выходные каскады могут использовать оба источника и раковина Текущий. Затворные схемы с открытым коллектором выходные каскады могут потреблять только ток, но не источник тока. Затворы с открытым коллектором практичны, когда используются для управления входами затвора TTL, потому что входы TTL не требуют подключения к источнику тока.

Сопутствующие рабочие листы

• Рабочий лист логических шлюзов TTL

• Рабочий лист базовой логики