Das NICHT-Tor

Die oben dargestellte Einzeltransistor-Inverterschaltung ist eigentlich zu grob, um als Gate von praktischem Nutzen zu sein. Echte Wechselrichterschaltungen enthalten mehr als einen Transistor, um die Spannungsverstärkung zu maximieren (um sicherzustellen, dass der letzte Ausgangstransistor entweder vollständig abgeschaltet oder vollständig gesättigt ist) und andere Komponenten, die die Wahrscheinlichkeit einer versehentlichen Beschädigung verringern.

Praktisches Wechselrichter-Schema

Hier ist ein schematisches Diagramm für eine echte Wechselrichterschaltung gezeigt, komplett mit allen notwendigen Komponenten für einen effizienten und zuverlässigen Betrieb:

Diese Schaltung besteht ausschließlich aus Widerständen, Dioden und Bipolartransistoren. Denken Sie daran, dass andere Schaltungsdesigns in der Lage sind, die NOT-Gate-Funktion auszuführen, einschließlich Designs, die bipolare Feldeffekttransistoren ersetzen (wird später in diesem Kapitel erörtert).

NICHT Gate-Schaltkreis-Betriebsanalyse

Hohe Eingabe

Lassen Sie uns diese Schaltung auf den Zustand analysieren, bei dem der Eingang „high“ ist oder sich in einem binären „1“-Zustand befindet. Wir können dies simulieren, indem wir den Eingangsanschluss zeigen, der mit V_cc . verbunden ist durch einen Schalter:

In diesem Fall Diode D₁ wird in Sperrrichtung vorgespannt und leitet daher keinen Strom. Tatsächlich ist der einzige Grund für D₁ in der Schaltung soll bei einem negativen Transistorschaden verhindern Spannung, die am Eingang angelegt wird (eine Spannung, die in Bezug auf Masse eher negativ als positiv ist).

Ohne Spannung zwischen Basis und Emitter des Transistors Q₁ , würden wir auch keinen Strom erwarten. So seltsam es auch erscheinen mag, der Transistor Q₁ wird nicht wie bei einem Transistor üblich verwendet. In Wirklichkeit Q₁ wird in dieser Schaltung als nichts anderes als ein Back-to-Back-Diodenpaar verwendet. Das folgende Schema zeigt die reale Funktion von Q₁ :

Der Zweck dieser Dioden besteht darin, den Strom zur oder von der Basis des Transistors Q₂ . zu „lenken“. , abhängig vom Logikpegel des Eingangs. Wie genau diese beiden Dioden in der Lage sind, den Strom zu „steuern“, ist auf den ersten Blick nicht ganz offensichtlich, daher kann zum Verständnis ein kurzes Beispiel erforderlich sein.

Angenommen, wir hätten die folgende Dioden-/Widerstandsschaltung, die die Basis-Emitter-Übergänge der Transistoren Q₂ . darstellt und Q₄ als einzelne Dioden und entfernen alle anderen Teile der Schaltung, damit wir uns auf den Strom konzentrieren können, der durch die beiden Rücken-an-Rücken-Dioden „gelenkt“ wird:

Mit dem Eingangsschalter in der Position „oben“ (verbunden mit V_cc ), sollte klar sein, dass durch die linke Steuerdiode von Q₁ . kein Strom fließt , weil an der Schaltdiode-R₁ keine Spannung anliegt -Schaltschleife, um Elektronen zum Fließen zu motivieren.

Allerdings wird Strom durch die rechte Lenkdiode von Q₁ , sowie durch Q₂ Basis-Emitter-Diodenübergang und Q₄ Basis-Emitter-Diodenübergang:

Dies sagt uns, dass in der realen Gate-Schaltung die Transistoren Q₂ und Q₄ haben Basisstrom, der sie einschaltet, um Kollektorstrom zu leiten.

Die Gesamtspannung fiel zwischen der Basis von Q₁ (der Knoten, der die beiden Rücken-an-Rücken-Lenkdioden verbindet) und Masse werden etwa 2,1 Volt betragen, gleich den kombinierten Spannungsabfällen von drei PN-Übergängen:der rechten Lenkdiode, Q₂ Basis-Emitter-Diode und Q₄ Basis-Emitter-Diode.

Niedriger Input

Lassen Sie uns nun den Eingangsschalter in die Position „unten“ bewegen und sehen, was passiert:

Wenn wir den Strom in diesem Stromkreis messen würden, würden wir feststellen, dass alle des Stroms fließt durch die linke Lenkdiode von Q₁ und keine davon durch die rechte Diode. Warum ist das? Es sieht immer noch so aus, als ob es einen vollständigen Strompfad durch Q₄ . gäbe Diode, Q₂ ‘s Diode, die rechte Diode des Paares und R₁ , warum wird also kein Strom durch diesen Pfad fließen?

Denken Sie daran, dass Dioden mit PN-Übergang sehr nichtlineare Geräte sind:Sie beginnen nicht einmal, Strom zu leiten, bis die an ihnen angelegte Durchlassspannung einen bestimmten Mindestwert erreicht, etwa 0,7 Volt für Silizium und 0,3 Volt für Germanium. Und wenn sie dann anfangen, Strom zu leiten, fallen sie nicht wesentlich mehr als 0,7 Volt ab.

Wenn sich der Schalter in dieser Schaltung in der Position „unten“ befindet, leitet die linke Diode des Lenkdiodenpaars vollständig und fällt daher um etwa 0,7 Volt ab und nicht mehr.

Denken Sie daran, dass der Schalter in der Position „oben“ ist (Transistoren Q₂ und Q₄ leitend), fielen zwischen diesen beiden Punkten etwa 2,1 Volt (Q₁ Basis und Boden), was zufällig auch das Minimum ist Spannung, die erforderlich ist, um drei in Reihe geschaltete Silizium-PN-Übergänge in einen leitenden Zustand vorzuspannen.

Die 0,7 Volt des Durchlassspannungsabfalls der linken Diode reichen einfach nicht aus, um einen Elektronenfluss durch die Reihenkette der rechten Diode zu ermöglichen, Q₂ Diode und die R₃ //Q₄ Dioden-Parallel-Teilschaltung, und so fließen keine Elektronen durch diesen Pfad. Ohne Strom durch die Basen eines der Transistoren Q₂ oder Q₄ , keiner kann Kollektorstrom leiten:Transistoren Q₂ und Q₄ werden sich beide in einem Abschaltzustand befinden.

Folglich ermöglicht diese Schaltungskonfiguration ein 100-prozentiges Schalten von Q₂ Basisstrom (und damit Kontrolle über den Rest der Gate-Schaltung, einschließlich der Spannung am Ausgang) durch Umleitung des Stroms durch die linke Steuerdiode.

In unserem Beispiel-Gate-Schaltkreis wird der Eingang durch den Schalter „high“ gehalten (verbunden mit V_cc ), wodurch die linke Lenkdiode (null Spannung daran abgefallen) wird. Die rechte Lenkdiode leitet jedoch Strom durch die Basis von Q₂ , durch Widerstand R₁ :

Bei bereitgestelltem Basisstrom Transistor Q₂ wird „an“ geschaltet. Genauer gesagt wird es gesättigt aufgrund des mehr als ausreichenden Stroms, der von R₁ . zugelassen wird durch die Basis. Mit Q₂ gesättigt, Widerstand R₃ wird genug Spannung abfallen, um den Basis-Emitter-Übergang des Transistors Q₄ . in Durchlassrichtung vorzuspannen , wodurch es auch gesättigt wird:

Mit Q₄ gesättigt, wird der Ausgangsanschluss fast direkt mit Masse kurzgeschlossen, wodurch der Ausgangsanschluss auf einer Spannung (bezogen auf Masse) von fast 0 Volt oder einem binären „0“ („niedrigen“) Logikpegel verbleibt. Aufgrund des Vorhandenseins der Diode D₂ , wird nicht genug Spannung zwischen der Basis von Q₃ . vorhanden sein und seinem Emitter, um ihn einzuschalten, so dass er im Cutoff bleibt.

Analyse mit niedrigem Input-Output

Sehen wir uns nun an, was passiert, wenn wir den Logikpegel des Eingangs auf eine binäre „0“ umkehren, indem wir den Eingangsschalter betätigen:

Jetzt fließt Strom durch die linke Steuerdiode von Q₁ und kein Strom durch die rechte Lenkdiode. Dadurch wird Strom durch die Basis von Q₂ . eliminiert , wodurch es ausgeschaltet wird.

Mit Q₂ aus, es gibt keinen Pfad mehr für Q₄ Basisstrom, also Q₄ geht auch in den Cutoff. Q₃ , auf der anderen Seite hat jetzt genügend Spannung zwischen seiner Basis und Masse, um seinen Basis-Emitter-Übergang in Durchlassrichtung vorzuspannen und ihn zu sättigen, wodurch die Ausgangsklemmenspannung auf einen „hohen“ Zustand angehoben wird.

Tatsächlich liegt die Ausgangsspannung je nach Sättigungsgrad und Laststrom bei etwa 4 Volt, aber immer noch hoch genug, um als „hoher“ (1) Logikpegel angesehen zu werden. Damit ist unsere Simulation der Wechselrichterschaltung abgeschlossen:Eine „1“ in gibt eine „0“ heraus und umgekehrt.

Schaltungsbeobachtungen

Der aufmerksame Beobachter wird feststellen, dass der Eingang dieser Inverterschaltung einen „High“-Zustand annimmt, wenn er schwebend bleibt (nicht mit V_cc . verbunden). oder Boden). Wenn der Eingangsanschluss nicht verbunden ist, fließt kein Strom durch die linke Steuerdiode von Q₁ , wobei R₁ . übrig bleibt Der Strom fließt durch Q₂ 's Base, also sättigt Q₂ und Treiben des Schaltungsausgangs in einen "niedrigen" Zustand:

Transistor-zu-Transistor-Logik (TTL)

Die Tendenz einer solchen Schaltung, einen hohen Eingangszustand anzunehmen, wenn sie schwebend bleibt, wird von allen Gatterschaltungen geteilt, die auf dieser Art von Design basieren, bekannt als T ransistor-to-T ransistor L ogisch oder TTL . Diese Eigenschaft kann ausgenutzt werden, um das Design des Ausgangs eines Gates zu vereinfachen Schaltung, wissend, dass die Ausgänge von Gattern normalerweise die Eingänge anderer Gatter ansteuern.

Wenn der Eingang einer TTL-Gatterschaltung beim Floaten einen High-Zustand annimmt, dann braucht der Ausgang eines jeden Gatters, der einen TTL-Eingang ansteuert, nur einen Weg nach Masse für einen Low-Zustand bereitzustellen und für einen High-Zustand schwebend zu sein. Dieses Konzept erfordert möglicherweise eine weitere Ausarbeitung zum vollständigen Verständnis, daher werde ich es hier im Detail untersuchen.

Quellen und Senken von Strömen

Quellenströme

Eine Gate-Schaltung, wie wir sie gerade analysiert haben, kann den Ausgangsstrom in zwei Richtungen verarbeiten:rein und raus. Technisch wird dies als Sourcing bezeichnet und untergehen aktuell bzw. Wenn der Gate-Ausgang hoch ist, besteht Kontinuität vom Ausgangsanschluss zu V_cc durch den oberen Ausgangstransistor (Q₃ ), wodurch Elektronen von Masse über eine Last in den Ausgangsanschluss des Gates durch den Emitter von Q₃ . fließen können , und schließlich bis zum V_cc Stromanschluss (positive Seite der DC-Stromversorgung):

Um dieses Konzept zu vereinfachen, können wir den Ausgang einer Gatterschaltung als einen Umschalter darstellen, der den Ausgangsanschluss entweder mit V_cc . verbinden kann oder geerdet, je nach Zustand. Für ein Gatter, das einen „hohen“ Logikpegel ausgibt, ist die Kombination von Q₃ gesättigt und Q₄ Cutoff ist analog zu einem Double-Throw-Schalter im „V_cc ”-Position, die einen Strompfad durch eine geerdete Last bereitstellt:

Bitte beachten Sie, dass dieser Schalter mit zwei Positionen im Gate-Symbol für die Transistoren Q₃ . steht und Q₄ abwechselnd den Ausgangsanschluss an V_cc . anschließen oder Boden, nicht des zuvor gezeigten Schalters, der ein Eingangssignal an das Gate sendet!

Sinkende Ströme

Umgekehrt, wenn eine Gatterschaltung einen "niedrigen" Logikpegel an eine Last ausgibt, ist dies analog zu der Einstellung des Umschalters in die "Masse"-Position. Der Strom fließt dann in die andere Richtung, wenn der Lastwiderstand mit V_cc . verbunden ist :vom Boden, durch den Emitter von Q₄ , aus dem Ausgangsanschluss, durch den Lastwiderstand und zurück zu V_cc . In diesem Zustand wird das Tor als sinkend bezeichnet aktuell:

Anforderungen für den TTL-Betrieb

Die Kombination von Q₃ und Q₄ arbeitet als „Push-Pull“-Transistorpaar (auch bekannt als Totempfahl-Ausgang ) kann entweder Strom liefern (Strom in V_cc aufnehmen) ) oder Strom (Ausgangsstrom von Masse) zu einer Last absenken. Ein Standard-TTL-Gate-Eingang braucht nie Strom zu beziehen, sondern nur zu versenken. Das heißt, da ein TTL-Gate-Eingang natürlich einen hohen Zustand annimmt, wenn er schwebend gelassen wird, muss jeder Gate-Ausgang, der einen TTL-Eingang ansteuert, nur Strom senken, um einen „0“- oder „niedrigen“ Eingang bereitzustellen, und muss keinen Strom quellen, um eine „1“ bereitzustellen ” oder ein logischer „high“-Pegel am Eingang des empfangenden Gatters:

Open-Collector-Ausgabe

Dies bedeutet, dass wir die Möglichkeit haben, die Ausgangsstufe einer Torschaltung zu vereinfachen, um Q₃ . zu eliminieren insgesamt. Das Ergebnis wird als Open-Collector-Ausgabe bezeichnet :

Um eine Open-Collector-Ausgangsschaltung innerhalb eines Standard-Gattersymbols zu kennzeichnen, wird ein spezieller Marker verwendet. Hier ist das Symbol für ein Inverter-Gate mit Open-Collector-Ausgang dargestellt:

Bitte beachten Sie, dass der Standardzustand „high“ eines Floating-Gate-Eingangs nur für TTL-Schaltungen gilt und nicht unbedingt für andere Typen, insbesondere für Logikgatter, die aus Feldeffekttransistoren aufgebaut sind.

Rezension

Ein Inverter- oder NICHT-Gatter ist eines, das den entgegengesetzten Zustand als Eingabe ausgibt. Das heißt, ein „low“-Eingang (0) ergibt einen „high“-Ausgang (1) und umgekehrt.
Gate-Schaltungen aus Widerständen, Dioden und Bipolartransistoren, wie in diesem Abschnitt dargestellt, werden als TTL bezeichnet . TTL steht für Transistor-to-Transistor Logic . In Gate-Schaltungen werden andere Designmethoden verwendet, von denen einige Feldeffekttransistoren anstelle von Bipolartransistoren verwenden.
Ein Gate soll Sourcing sein Strom, wenn er einen Strompfad zwischen dem Ausgangsanschluss und der positiven Seite der Gleichstromversorgung bereitstellt (V_cc ). Mit anderen Worten, es verbindet den Ausgangsanschluss mit der Stromquelle (+V).
Ein Tor soll sinken Strom, wenn er einen Strompfad zwischen dem Ausgangsanschluss und Masse bereitstellt. Mit anderen Worten, er erdet (senkt) den Ausgangsanschluss.
Torschaltungen mit Totempfahl Ausgangsstufen können sowohl source und senken Strom. Torschaltungen mit Open-Collector Ausgangsstufen können nur Strom aufnehmen, keinen Strom. Open-Collector-Gates sind praktisch, wenn sie zum Ansteuern von TTL-Gate-Eingängen verwendet werden, da TTL-Eingänge keine Stromquelle benötigen.