Como fazer portas lógicas usando transistores

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Neste post vamos aprender como construir portas lógicas NOT, AND, NAND, OR e NOR usando transistores discretos. A principal vantagem de usar portas lógicas de transistor é que elas podem funcionar mesmo com tensões tão baixas quanto 1,5 V.

Em algumas aplicações eletrônicas, a tensão disponível pode ser inadequada para alimentar CIs TTL ou CMOS. Isso é especialmente verdadeiro para gadgets que funcionam com baterias. Sem dúvida, você sempre tem a opção de IC lógica de 3 volts. No entanto, eles nem sempre são facilmente acessíveis ao entusiasta ou experimentador e não funcionam abaixo de suas especificações de tensão definidas (geralmente abaixo de 2,5 volts DC).



Além disso, pode haver apenas lugar para uma única bateria de 1,5 volts em um aplicativo alimentado por bateria. Bem, então o que você vai fazer? Usualmente portas lógicas IC poderia ser substituído por portas lógicas transistorizadas. Para cada porta lógica específica, geralmente são necessários apenas alguns transistores e, para uma lógica típica de inversor de porta NOT, apenas um transistor é necessário.

FETs versus transistor bipolar

Transistores de Efeito de Campo (FETs) vs transistores bipolares : qual é a melhor opção para circuitos lógicos de baixa tensão? Uma grande característica de FATOS é que sua resistência 'on' é incrivelmente baixa. Além disso, eles precisam de uma corrente de ativação do portão muito baixa.



No entanto, eles têm uma limitação em aplicações de tensão extremamente baixa. Normalmente, o limite de tensão da porta é de um volt ou mais. Além disso, a tensão disponível pode diminuir abaixo da faixa de trabalho ideal do FET se um resistor limitador de corrente ou pull-down estiver conectado ao portão.

Por outro lado, os transistores de comutação bipolares têm uma vantagem em aplicações de tensão extremamente baixa e com uma única bateria, pois precisam apenas de 0,6 a 0,7 volts para ligar.

Além disso, a maioria dos FETs comuns, que normalmente são vendidos em pacotes de bolhas na loja de eletrônicos mais próxima, geralmente são mais caros do que os transistores bipolares. Além disso, um pacote a granel de transistores bipolares geralmente pode ser adquirido pelo preço de um par de FETs.

O manuseio do FET requer muito mais cuidado do que o manuseio do transistor bipolar. O mau uso experimental eletrostático e geral torna os FETs particularmente propensos a danos. Componentes queimados podem arruinar uma noite agradável e criativa de experimentação ou inovação, sem esquecer a dor emocional da depuração.

Noções básicas de transistores de comutação

Os exemplos de circuitos lógicos explicados neste artigo fazem uso de transistores NPN bipolares, pois são acessíveis e não precisam de manuseio especial. Para evitar danificar o dispositivo ou as peças que o suportam, devem ser tomadas medidas de segurança adequadas antes de conectar seu circuito.

Embora nossos circuitos sejam predominantemente centrados em transistores de junção bipolar (BJTs), eles poderiam ter sido igualmente bem construídos usando a tecnologia FET.

O circuito de chave básico é uma aplicação simples de transistor, que é um dos projetos mais fáceis.

Fazendo um portão NOT com um único transistor

Um esquema da chave do transistor é mostrado na Figura 1. Dependendo de como ela é implementada em uma aplicação específica, a chave pode ser vista como mantida baixa ou normalmente aberta.

Uma porta lógica de inversor de porta NOT simples pode ser criada pelo circuito de comutação simples mostrado na Fig. 1 (onde o ponto A é a entrada). Uma porta NOT opera de tal forma que, se nenhuma polarização CC for fornecida à base do transistor (ponto A; Q1), ela permanecerá desligada, resultando em um alto ou lógico 1 (igual ao nível V+) na saída ( ponto B).

No entanto, o transistor é ativado quando a polarização adequada é fornecida à base de Q1, empurrando a saída do circuito para baixo ou para 0 lógico (quase igual a zero potencial). O transistor, designado Q1, é um transistor bipolar de uso geral, ou um BC547, que é normalmente utilizado em aplicações de comutação e amplificador de baixa potência.

Qualquer transistor equivalente a ele (como o 2N2222, 2N4401, etc.) funcionaria. Os valores de R1 e R2 foram selecionados para atingir um compromisso entre baixo consumo de corrente e compatibilidade. Em todos os projetos, os resistores são todos unidades de 1/4 watt, 5%.

A tensão de alimentação é ajustável entre 1,4 e 6 volts DC. Observe que o circuito pode funcionar como um buffer quando o resistor de carga e a conexão de saída são deslocados para o emissor do transistor.

Fazendo um Buffer Gate usando um único BC547 BJT

Um seguidor de tensão, ou amplificador de buffer, é um tipo de configuração lógica de comutação idêntica à mostrada na Figura 2. Deve-se notar que o resistor de carga e o terminal de saída foram deslocados do coletor do transistor para seu emissor neste circuito, que é a principal diferença entre este projeto e o mostrado na Fig. 1.

O funcionamento do transistor também pode ser 'invertido' movendo o resistor de carga e o terminal de saída para a outra extremidade do BJT.

Em outras palavras, quando nenhuma polarização é fornecida à entrada do circuito, a saída do circuito permanece baixa; no entanto, quando uma polarização de tensão adequada é fornecida à entrada do circuito, a saída do circuito fica alta. (Isso é exatamente o oposto do que acontece no circuito anterior.)

Projetando portas lógicas de duas entradas usando transistores

Porta AND usando dois transistores

A Figura 3 ilustra como uma porta AND básica de duas entradas pode ser criada usando um par de buffers, juntamente com a tabela verdade para essa porta. A tabela verdade ilustra quais seriam os resultados de saída para cada conjunto distinto de entradas. Os pontos A e B são usados ​​como entradas do circuito e o ponto C serve como saída do circuito.

É importante observar na tabela verdade que apenas um conjunto de parâmetros de entrada resulta em um sinal de saída lógico alto, enquanto todas as outras combinações de entrada resultam em uma saída lógica baixa. A saída da porta AND na Figura 3 permanece ligeiramente abaixo de V+ quando fica alta.

Isso acontece por causa da queda de tensão entre os dois transistores (Q1 e Q2).

Porta NAND usando dois transistores

Outra variante do circuito na Figura 3 e a tabela verdade associada são mostradas na Figura 4. O circuito se transforma em uma porta NAND deslocando a saída (ponto C) e o resistor de saída para o coletor do transistor superior (Q1).

Como Q1 e Q2 precisam ser ligados para puxar o lado baixo de R1 para o terra, a perda de tensão na saída C é insignificante.

Se as portas de transistor AND ou transistor NAND precisarem de mais de duas entradas, mais transistores podem ser conectados nos projetos mostrados para fornecer três, quatro, etc., portas AND ou NAND de entrada.

No entanto, para compensar as perdas de tensão dos transistores individuais, V+ deve ser aumentado de forma correspondente.

Porta OR usando dois transistores

Outra forma de circuito lógico com duas entradas pode ser vista na Figura 5, juntamente com a tabela verdade do circuito da porta OR.

A saída do circuito é alta quando a entrada A ou a entrada B é empurrada para alto, no entanto, devido aos transistores em cascata, a queda de tensão é superior a 0,5 volts. Mais uma vez, os números exibidos indicam que há tensão e corrente suficientes para operar a porta do transistor subsequente.

Porta NOR usando dois transistores

A Figura 6 mostra a próxima porta em nossa lista, uma porta NOR de duas entradas, junto com sua tabela verdade. Semelhante a como as portas AND e NAND respondem uma à outra, os circuitos OR e NOR fazem o mesmo.

Cada uma das portas exibidas é capaz de fornecer acionamento suficiente para ativar pelo menos uma ou mais portas de transistor adjacentes.

Aplicações de porta lógica de transistor

O que você faz com os circuitos digitais explicados acima que você possui agora? Qualquer coisa que você possa realizar com portas TTL ou CMOS convencionais, mas sem se preocupar com as restrições de tensão de alimentação. Aqui estão algumas aplicações de portas lógicas de transistor em ação.

Circuito Demultiplexador

Um demultiplexador 1 de 2 com três portas NOT e dois circuitos NAND é visto na Figura 7. A saída apropriada é escolhida usando a 'entrada de endereço' de um bit, que pode ser OUTPUT1 ou OUTPUT2, enquanto a informação de condução é aplicada ao circuito usando a entrada DATA.

O circuito opera de forma mais eficaz quando a taxa de dados é mantida abaixo de 10 kHz. A funcionalidade do circuito é direta. A entrada DATA é fornecida com o sinal necessário, que liga o Q3 e inverte os dados de entrada no coletor do Q3.

A saída de Q1 é elevada se a entrada ADDRESS estiver baixa (aterrada ou nenhum sinal for fornecido). No coletor do Q1, a saída alta é dividida em dois caminhos. No primeiro caminho, a saída de Q1 é fornecida à base de Q5 (uma das pernas de uma porta NAND de duas entradas), ligando-a e, portanto, 'ativando' a porta NAND composta por Q4 e Q5.

No segundo caminho, a saída alta de Q1 é fornecida simultaneamente na entrada de outra porta NOT (Q2). Após sofrer uma dupla inversão, a saída do Q2 fica baixa. Este baixo é alimentado pela base do Q7 (um terminal de uma segunda porta NAND, composta por Q6 e Q7), desligando assim o circuito NAND.

Qualquer informação ou sinal aplicado à entrada DATA chega a OUTPUT1 nestas circunstâncias. Alternativamente, a situação é invertida se um sinal alto for dado à entrada ADDRESS. Ou seja, qualquer informação fornecida ao circuito será exibida em OUTPUT2, pois a porta Q4/Q5 NAND está desabilitada e a porta Q6/Q7 NAND está habilitada.

Circuito oscilador (gerador de relógio)

Nossa próxima aplicação de porta lógica de transistor, ilustrada na Fig. 8, é um gerador de clock básico (também conhecido como oscilador) feito de três inversores de porta NOT comuns (um dos quais é polarizado usando um resistor de feedback, R2, que o coloca em a região análoga).

Para ajustar a saída, uma terceira porta NOT (Q3) que fornece o complemento à saída do oscilador está incluída. O valor C1 pode ser aumentado ou diminuído para alterar a frequência de operação do circuito. A forma de onda de saída tem uma frequência em torno de 7 kHz com V+ em 1,5 volts DC, usando os valores de componentes indicados.

Circuito de trava RS

A Fig. 9 mostra nosso circuito de aplicação final, um latch RS composto por duas portas NOR. Para garantir um acionamento de saída saudável nas saídas Q e Q, os resistores R3 e R4 são ajustados para 1k ohms.

A tabela verdade da trava RS é exibida ao lado do projeto esquemático. Estas são apenas algumas ilustrações dos vários circuitos digitais de porta lógica confiáveis, de baixa tensão, que podem ser criados usando transistores individuais.

Circuitos que usam lógica transistorizada precisam de muitas peças

Muitos problemas podem ser resolvidos usando todos esses circuitos lógicos transistorizados de baixa tensão. No entanto, empregar muitas dessas portas transistorizadas pode levar a novos problemas.

O número de transistores e resistores pode ficar bastante grande se o aplicativo que você está construindo contiver uma grande quantidade de portas, ocupando um espaço valioso.

O uso de matrizes de transistores (muitos transistores envoltos em plástico) e resistores SIP (Single Inline Package) no lugar de unidades individuais é uma maneira de resolver esse problema.

A abordagem acima pode economizar uma tonelada de espaço em um PCB, mantendo o desempenho igual ao de seus equivalentes de tamanho normal. As matrizes de transistores são oferecidas em montagem em superfície, furo passante de 14 pinos e embalagem de pacote quádruplo.

Para a maioria dos circuitos, misturar tipos de transistores pode ser bastante aceitável.

No entanto, é aconselhável que o experimentador trabalhe com um único tipo de transistor para construir os circuitos lógicos transistorizados (ou seja, se você criar uma seção de uma porta usando BC547, tente usar o mesmo BJT para fazer as outras portas restantes também).

O raciocínio é que várias variantes de transistor podem ter propriedades um pouco diferentes e, portanto, podem se comportar de maneira diferente.

Por exemplo, para alguns transistores, o limite de ativação da base pode ser maior ou menor que outro, ou um pode ter um ganho geral de corrente um pouco maior ou menor.

Por outro lado, o custo de compra de uma caixa a granel de um único tipo de transistor também pode ser menor. O desempenho de seus circuitos melhorará se suas portas lógicas forem construídas usando transistores correspondentes, e o projeto em sua totalidade será mais recompensador no final das contas.