Cara Membuat Gerbang Logika menggunakan Transistor

Coba Instrumen Kami Untuk Menghilangkan Masalah





Dalam posting ini kita akan belajar bagaimana membangun gerbang logika NOT, AND, NAND, OR, dan NOR menggunakan transistor diskrit. Keuntungan utama menggunakan gerbang logika transistor adalah dapat bekerja bahkan dengan tegangan serendah 1,5 V.

Dalam beberapa aplikasi elektronik, tegangan yang tersedia mungkin tidak cukup untuk memberi daya pada TTL atau bahkan IC CMOS. Ini terutama berlaku untuk gadget yang menggunakan baterai. Tidak diragukan lagi, Anda selalu memiliki opsi IC logika 3-volt. Namun, ini tidak selalu mudah diakses oleh penggemar atau eksperimen, dan mereka tidak bekerja di bawah spesifikasi tegangan yang ditentukan (umumnya di bawah 2,5 volt DC).



Selain itu, mungkin hanya ada tempat untuk baterai 1,5 volt tunggal dalam aplikasi bertenaga baterai. Nah, lalu apa yang akan Anda lakukan? Biasanya gerbang logika IC dapat digantikan oleh gerbang logika transistorized. Untuk setiap gerbang logika tertentu, biasanya hanya diperlukan beberapa transistor, dan untuk logika inverter gerbang NOT yang khas, hanya diperlukan satu transistor.

FET versus Transistor Bipolar

Transistor Efek Medan (FET) vs transistor bipolar : mana pilihan yang lebih baik untuk rangkaian logika tegangan rendah? Salah satu fitur hebat dari FAKTA adalah bahwa resistensi 'aktif' mereka sangat rendah. Selain itu, mereka membutuhkan arus pengaktifan gerbang yang sangat rendah.



Namun, mereka memiliki satu batasan dalam aplikasi tegangan sangat rendah. Biasanya, batas tegangan gerbang adalah satu volt atau lebih. Selanjutnya, tegangan yang tersedia dapat menurun di bawah rentang kerja optimal FET jika resistor pembatas arus atau resistor pull-down dipasang ke gerbang.

Sebaliknya, transistor switching bipolar memiliki keunggulan dalam aplikasi baterai tunggal bertegangan sangat rendah karena hanya membutuhkan 0,6 hingga 0,7 volt untuk menyala.

Selain itu, sebagian besar FET umum, yang biasanya dijual dalam kemasan gelembung di toko elektronik terdekat sering kali lebih mahal daripada transistor bipolar. Juga, paket massal transistor bipolar umumnya dapat dibeli dengan harga sepasang FET.

Penanganan FET memerlukan perawatan yang jauh lebih banyak daripada penanganan transistor bipolar. Penyalahgunaan elektrostatik dan eksperimental umum membuat FET sangat rentan terhadap kerusakan. Komponen yang terbakar dapat merusak malam eksperimen atau inovasi yang menyenangkan dan kreatif, belum lagi rasa sakit emosional dari debugging.

Dasar-dasar Transistor Switching

Contoh rangkaian logika yang dijelaskan dalam artikel ini menggunakan transistor NPN bipolar karena harganya terjangkau dan tidak memerlukan penanganan khusus. Untuk menghindari kerusakan perangkat atau bagian yang mendukungnya, tindakan keselamatan yang sesuai harus dilakukan sebelum menghubungkan sirkuit Anda.

Meskipun sirkuit kami sebagian besar berpusat pada Transistor Persimpangan Bipolar (BJT), mereka dapat dibangun dengan baik menggunakan teknologi FET.

Rangkaian sakelar dasar adalah aplikasi transistor sederhana, yang merupakan salah satu desain termudah.

Membuat Gerbang NOT dengan Transistor Tunggal

Skema sakelar transistor ditunjukkan pada Gambar 1. Tergantung pada bagaimana penerapannya dalam aplikasi tertentu, sakelar dapat dilihat sebagai tetap rendah atau biasanya terbuka.

Gerbang logika inverter gerbang NOT sederhana dapat dibuat dengan rangkaian switching langsung yang ditunjukkan pada Gambar 1 (di mana titik A adalah inputnya). Gerbang NOT beroperasi sedemikian rupa sehingga jika tidak ada bias DC yang diberikan ke basis transistor (titik A; Q1), gerbang akan tetap mati, menghasilkan logika 1 tinggi atau (sama dengan level V+) pada output ( titik B).

Namun, transistor aktif ketika bias yang tepat diberikan ke basis Q1, mendorong output rangkaian rendah atau ke logika 0 (hampir sama dengan potensial nol). Transistor, ditunjuk Q1, adalah transistor bipolar tujuan umum, atau BC547, yang biasanya digunakan dalam aplikasi switching dan amplifier berdaya rendah.

Setiap transistor yang setara dengannya (seperti 2N2222, 2N4401, dll.) akan berfungsi. Nilai R1 dan R2 dipilih untuk mencapai kompromi antara pengurasan arus rendah dan kompatibilitas. Dalam semua desain, semua resistor adalah 1/4 watt, 5% unit.

Tegangan suplai dapat disesuaikan antara 1,4 dan 6 volt DC. Perhatikan bahwa rangkaian dapat bekerja seperti penyangga ketika resistor beban dan koneksi output digeser ke emitor transistor.

Membuat Gerbang Penyangga menggunakan BJT BC547 Tunggal

Pengikut tegangan, atau penguat buffer, adalah jenis konfigurasi switching logika yang identik dengan yang ditunjukkan pada Gambar 2. Perlu dicatat bahwa resistor beban dan terminal output telah dipindahkan dari kolektor transistor ke emitornya di sirkuit ini, yang merupakan perbedaan utama antara desain ini dan yang ditunjukkan pada Gambar. 1.

Fungsi transistor juga dapat 'dibalik' dengan memindahkan resistor beban dan terminal keluaran ke ujung BJT yang lain.

Dengan kata lain, ketika tidak ada bias yang diberikan ke input rangkaian, output rangkaian tetap rendah; namun, ketika bias tegangan yang memadai disuplai ke input rangkaian, output rangkaian menjadi tinggi. (Itu persis kebalikan dari apa yang terjadi di sirkuit sebelumnya.)

Merancang Gerbang Logika Dua Masukan menggunakan Transistor

Gerbang AND menggunakan Dua Transistor

Gambar 3 mengilustrasikan bagaimana gerbang AND dua masukan dasar dapat dibuat menggunakan sepasang buffer, bersama dengan tabel kebenaran untuk gerbang tersebut. Tabel kebenaran mengilustrasikan hasil keluaran untuk setiap set masukan yang berbeda. Titik A dan B digunakan sebagai input rangkaian, dan titik C berfungsi sebagai output rangkaian.

Penting untuk dicatat dari tabel kebenaran bahwa hanya satu set parameter input menghasilkan sinyal output logika-tinggi, sedangkan semua kombinasi input lainnya menghasilkan output logika-rendah. Output gerbang AND pada Gambar 3 tetap sedikit di bawah V+ setelah berubah menjadi tinggi.

Hal ini terjadi karena adanya drop tegangan antara kedua transistor (Q1 dan Q2).

Gerbang NAND menggunakan Dua Transistor

Varian lain dari rangkaian pada Gambar 3 dan tabel kebenaran terkait ditunjukkan pada Gambar 4. Rangkaian berubah menjadi gerbang NAND dengan menggeser output (titik C) dan resistor output ke kolektor transistor atas (Q1).

Karena Q1 dan Q2 perlu dinyalakan untuk menarik sisi rendah R1 ke ground, rugi tegangan pada keluaran C tidak signifikan.

Jika transistor AND atau gerbang NAND transistor membutuhkan lebih dari dua input, lebih banyak transistor dapat dihubungkan dengan baik dalam desain yang ditunjukkan untuk menyediakan tiga, empat, dll., input AND atau gerbang NAND.

Namun, untuk mengkompensasi kerugian tegangan masing-masing transistor, V+ harus ditingkatkan secara bersamaan.

Gerbang OR menggunakan Dua Transistor

Bentuk lain dari rangkaian logika dengan dua input dapat dilihat pada Gambar 5, berikut tabel kebenaran rangkaian gerbang OR.

Output rangkaian tinggi ketika input A atau input B didorong tinggi, namun karena transistor bertingkat, penurunan tegangan lebih dari 0,5 volt. Sekali lagi, angka yang ditampilkan menunjukkan bahwa ada cukup tegangan dan arus untuk mengoperasikan gerbang transistor berikutnya.

Gerbang NOR menggunakan Dua Transistor

Gambar 6 menggambarkan gerbang berikutnya pada daftar kami, gerbang NOR dua input, bersama dengan tabel kebenarannya. Mirip dengan bagaimana gerbang AND dan NAND merespon satu sama lain, sirkuit OR dan NOR melakukan hal yang sama.

Masing-masing gerbang yang ditampilkan mampu memasok drive yang cukup untuk mengaktifkan setidaknya satu atau lebih gerbang transistor yang berdekatan.

Aplikasi Gerbang Logika Transistor

Apa yang Anda lakukan dengan sirkuit digital yang dijelaskan di atas yang sekarang Anda miliki? Apa pun yang dapat Anda capai dengan gerbang TTL atau CMOS konvensional, tetapi tanpa mengkhawatirkan batasan tegangan suplai. Berikut adalah beberapa aplikasi gerbang logika transistor dalam aksi.

Sirkuit Demultiplexer

Demultiplexer 1-of-2 dengan tiga gerbang NOT dan dua sirkuit NAND terlihat pada Gambar 7. Output yang sesuai dipilih menggunakan 'input alamat' satu-bit, yang dapat berupa OUTPUT1 atau OUTPUT2, sementara informasi penggerak diterapkan ke sirkuit menggunakan input DATA.

Sirkuit beroperasi paling efektif ketika kecepatan data dipertahankan di bawah 10 kHz. Fungsionalitas sirkuit sangat mudah. Input DATA disuplai dengan sinyal yang diperlukan, yang mengubah Q3 ON dan membalikkan data yang masuk pada kolektor Q3.

Output Q1 didorong tinggi jika input ADDRESS rendah (dibumikan atau tidak ada sinyal yang disediakan). Pada kolektor Q1, output tinggi dibagi menjadi dua jalur. Pada jalur pertama, output Q1 dipasok ke basis Q5 (salah satu dari dua kaki gerbang NAND input), menyalakannya dan oleh karena itu 'mengaktifkan' gerbang NAND yang terdiri dari Q4 dan Q5.

Di jalur kedua, output tinggi Q1 secara bersamaan disuplai ke input gerbang NOT lain (Q2). Setelah mengalami inversi ganda, output Q2 menjadi rendah. Rendah ini disuplai ke basis Q7 (satu terminal gerbang NAND kedua, terdiri dari Q6 dan Q7), sehingga mematikan sirkuit NAND.

Setiap informasi atau sinyal yang diterapkan ke input DATA tiba di OUTPUT1 dalam keadaan ini. Atau, situasinya terbalik jika sinyal tinggi diberikan ke input ADDRESS. Artinya, setiap informasi yang diberikan ke sirkuit akan ditampilkan di OUTPUT2 karena gerbang NAND Q4/Q5 dinonaktifkan dan gerbang NAND Q6/Q7 diaktifkan.

Rangkaian Osilator (Generator Jam)

Aplikasi gerbang logika transistor kami berikutnya, diilustrasikan pada Gambar. 8, adalah generator clock dasar (juga dikenal sebagai osilator) yang terbuat dari tiga inverter gerbang NOT biasa (salah satunya dibias menggunakan resistor umpan balik, R2, yang memasukkannya ke wilayah analog).

Untuk menyamakan output, gerbang NOT ketiga (Q3) yang mengirimkan komplemen ke output osilator disertakan. Nilai C1 dapat dinaikkan atau diturunkan untuk mengubah frekuensi operasi rangkaian. Bentuk gelombang keluaran memiliki frekuensi sekitar 7 kHz dengan V+ pada 1,5 volt DC, menggunakan nilai komponen yang ditunjukkan.

Sirkuit Kait RS

Gambar 9 menunjukkan rangkaian aplikasi akhir kita, sebuah gerendel RS yang terdiri dari dua gerbang NOR. Untuk memastikan drive output yang sehat pada output Q dan Q, resistor R3 dan R4 disesuaikan ke 1k ohm.

Tabel kebenaran gerendel RS ditampilkan di samping desain skematik. Ini hanyalah beberapa ilustrasi dari beberapa rangkaian gerbang logika digital tegangan rendah yang dapat dipercaya yang dapat dibuat menggunakan transistor individual.

Sirkuit yang Menggunakan Logika Transistorisasi Membutuhkan Terlalu Banyak Bagian

Banyak masalah dapat diselesaikan dengan menggunakan semua rangkaian logika transistor tegangan rendah ini. Namun, menggunakan terlalu banyak gerbang transistor ini dapat menyebabkan masalah baru.

Jumlah transistor dan resistor mungkin menjadi cukup besar jika aplikasi yang Anda bangun berisi sejumlah besar gerbang, menempati ruang yang berharga.

Menggunakan array transistor (banyak transistor tertutup plastik) dan resistor SIP (Single Inline Package) sebagai pengganti unit individu adalah salah satu cara untuk mengatasi masalah ini.

Pendekatan di atas dapat menghemat satu ton ruang pada pcb sambil mempertahankan kinerja yang setara dengan setara ukuran penuhnya. Array transistor ditawarkan dalam kemasan surface-mount, 14-pin through-hole, dan quad pack.

Untuk sebagian besar sirkuit, jenis transistor pencampuran mungkin cukup dapat diterima.

Namun demikian, disarankan agar eksperimen bekerja dengan satu jenis transistor untuk membangun rangkaian logika transistorized (artinya jika Anda membuat bagian gerbang menggunakan BC547, maka coba gunakan BJT yang sama untuk membuat gerbang sisa lainnya juga).

Alasannya adalah bahwa berbagai varian transistor dapat memiliki sifat yang agak berbeda dan dengan demikian mungkin berperilaku berbeda.

Misalnya, untuk beberapa transistor batas sakelar-ON basis mungkin lebih besar atau lebih kecil dari yang lain, atau seseorang dapat memiliki penguatan arus keseluruhan yang sedikit lebih tinggi atau lebih rendah.

Di sisi lain, biaya membeli kotak massal dari satu jenis transistor juga bisa lebih rendah. Kinerja sirkuit Anda akan meningkat jika gerbang logika Anda dibangun menggunakan transistor yang cocok, dan proyek secara keseluruhan akan lebih bermanfaat pada akhirnya.