TTL NAND- und AND-Gatter Implementation mit Open-Collector-Transistorschaltungen

Indem wir einem Standard-Open-Collector-TTL-Inverter einen zweiten Eingang hinzufügen, erhalten wir eine Schaltung, die natürlich eine NAND-Funktion implementiert. In diesem Artikel durchlaufen wir die Analyse, erklären das zugrundeliegende Transistorverhalten und zeigen, wie ein simpler Inverter durch Hinzufügen einer weiteren Inverterstufe in ein AND-Gatter umgewandelt wird.

Vom Inverter zum Zwei-Eingangs-Gerät

Unser Ausgangspunkt ist ein konventioneller Open-Collector-TTL-Inverter. Die Schaltung wird erweitert, indem ein zweiter Eingangsterminal an die Basis des zweiten Transistors Q2 angeschlossen wird, genau wie der erste Eingang. Das resultierende Schaltbild sieht so aus:

Obwohl das Diagramm einfach wirkt, funktioniert das Gerät nicht als „Zwei-Eingangs-Inverter“. Durch logische Analyse bestimmen wir seine Wahrheitstabelle und geben ihm die korrekte Bezeichnung.

Transistorstruktur

Der als „Lenkdiode“ markierte Transistorcluster Q1 ist effektiv ein Transistor, der nicht zur Verstärkung genutzt wird. Ein standardmäßiger NPN-Transistor kann die drei benötigten PN-Übergänge in diesem Netzwerk nicht bereitstellen, daher verwenden wir einen Transistor mit einem Kollektor, einer Basis und zwei Emitttern. In der Schaltung wird er wie folgt gezeichnet:

Eingangszustände und Ausgangsverhalten

Mit einem einzelnen Eingang erzwingt das Erden des Eingangs einen high-Ausgang (schwebend), während ein offener oder an Vcc gekoppelter Eingang den Ausgang low zieht. Bei zwei Eingängen verhält sich jeder identisch. Wird einer der Eingänge geerdet, sperrt Transistor Q2, Q3 bleibt aus, und der Ausgang schwebt high. Erst wenn beide Eingänge high sind, sättigt Q2, Q3 schaltet durch, und der Ausgang zieht low.

Illustrationen der drei Schlüsselszenarien:

In jedem Fall garantiert ein geerdeter Eingang einen high-Ausgang. Das einzige Szenario, in dem der Ausgang low geht, ist, wenn beide Eingänge high sind, was Q2 in Sättigung zwingt und Q3 zum Leiten bringt.

NAND-Gatter

Die Tabellierung dieser Ergebnisse liefert die Standard-NAND-Wahrheitstabelle:

Somit ist ein TTL-NAND-Gatter die einfachste, natürlichste Funktion dieses Open-Collector-Designs. In früheren Abschnitten beschrieben wir ein NAND-Gatter als UND-Gatter gefolgt von einem Inverter. Hier sehen wir, dass dieselbe Schaltung das NAND-Verhalten bereits ohne zusätzliche Komplexität verkörpert.

Erstellung eines AND-Gatters

Um eine UND-Funktion zu erhalten, fügen wir einfach eine Inverterstufe an den Ausgang der NAND-Schaltung an, genau wie wir einem TTL-Inverter eine Transistorstufe hinzufügen, um einen Puffer zu machen:

Die resultierende Wahrheitstabelle und das Schaltbild sind unten gezeigt:

Sowohl NAND- als auch AND-Gatter können auch mit Totem-Pole-Ausgängen statt Open-Collector realisiert werden. Zur Einfachheit präsentieren wir hier die Open-Collector-Versionen.

Kernaussagen

• Das Hinzufügen eines zweiten Eingangs zu einem TTL-Inverter ergibt ein NAND-Gatter.
• Ein AND-Gatter erhält man, indem man einen Inverter nach dem NAND-Ausgang einfügt.

Verwandte Ressourcen

• TTL Logic Gates Worksheet