Comment créer des portes logiques à l'aide de transistors

Dans cet article, nous apprendrons à construire des portes logiques NOT, AND, NAND, OR et NOR à l'aide de transistors discrets. Le principal avantage de l'utilisation de portes logiques à transistors est qu'elles peuvent fonctionner même avec des tensions aussi basses que 1,5 V.

Dans certaines applications électroniques, la tension disponible peut être insuffisante pour alimenter des circuits intégrés TTL ou même CMOS. Cela est particulièrement vrai pour les gadgets qui fonctionnent sur piles. Sans aucun doute, vous avez toujours l'option IC logique 3 volts. Cependant, ceux-ci ne sont pas toujours facilement accessibles au passionné ou à l'expérimentateur, et ils ne fonctionnent pas en dessous de leurs spécifications de tension définies (généralement en dessous de 2,5 volts DC).

De plus, il peut n'y avoir de place que pour une seule batterie de 1,5 volt dans une application alimentée par batterie. Eh bien, qu'allez-vous faire alors? Généralement Portes logiques IC pourraient être remplacés par des portes logiques transistorisées. Pour chaque porte logique particulière, seuls quelques transistors sont généralement requis, et pour une logique d'inverseur de porte NON typique, un seul transistor est requis.

FET contre transistor bipolaire

Transistors à effet de champ (FET) vs transistors bipolaires : quelle est la meilleure option pour les circuits logiques basse tension ? Une grande caractéristique de LES FAITS est que leur résistance 'on' est incroyablement faible. De plus, ils ont besoin d'un très faible courant d'activation de grille.

Cependant, ils ont une limitation dans les applications à très basse tension. En règle générale, la limite de tension de grille est d'environ un volt. De plus, la tension disponible peut diminuer en dessous de la plage de fonctionnement optimale du FET si une résistance de limitation de courant ou d'abaissement est fixée à la grille.

À l'inverse, les transistors de commutation bipolaires présentent un avantage dans les applications à batterie unique à très basse tension, car ils n'ont besoin que de 0,6 à 0,7 volt pour s'allumer.

De plus, la majorité des FET courants, qui sont normalement vendus dans des packs à bulles dans votre magasin d'électronique le plus proche, sont souvent plus coûteux que les transistors bipolaires. En outre, un paquet en vrac de transistors bipolaires peut généralement être acheté au prix d'une paire de FET.

La manipulation des FET nécessite beaucoup plus de soin que la manipulation des transistors bipolaires. Une mauvaise utilisation électrostatique et expérimentale générale rend les FET particulièrement sujets aux dommages. Les composants brûlés peuvent gâcher une soirée agréable et créative d'expérimentation ou d'innovation, sans oublier la douleur émotionnelle du débogage.

Principes de base des transistors de commutation

Les exemples de circuits logiques expliqués dans cet article utilisent des transistors NPN bipolaires car ils sont abordables et ne nécessitent pas de manipulation particulière. Pour éviter d'endommager l'appareil ou les pièces qui le supportent, des mesures de sécurité appropriées doivent être prises avant de connecter votre circuit.

Même si nos circuits sont principalement centrés sur des transistors à jonction bipolaire (BJT), ils auraient tout aussi bien pu être construits en utilisant la technologie FET.

Le circuit de commutation de base est une simple application de transistor, qui est l'une des conceptions les plus simples.

Faire une porte NOT avec un seul transistor

Un schéma du commutateur à transistor est illustré à la figure 1. Selon la manière dont il est mis en œuvre dans une application particulière, le commutateur peut être considéré comme étant maintenu bas ou normalement ouvert.

Une simple porte logique inverseuse de porte NOT peut être créée par le circuit de commutation simple illustré à la Fig. 1 (où le point A est l'entrée). Une porte NON fonctionne de telle manière que si aucune polarisation CC n'est fournie à la base du transistor (point A; Q1), il restera coupé, ce qui entraînera un niveau haut ou logique 1 (égal au niveau V +) à la sortie ( point B).

Cependant, le transistor s'active lorsque la polarisation appropriée est fournie à la base de Q1, poussant la sortie du circuit au niveau bas ou au 0 logique (presque égal au potentiel zéro). Le transistor, désigné Q1, est un transistor bipolaire à usage général, ou un BC547, qui est généralement utilisé dans les applications de commutation et d'amplification à faible puissance.

Tout transistor qui lui est équivalent (comme le 2N2222, 2N4401, etc.) fonctionnerait. Les valeurs de R1 et R2 ont été sélectionnées pour trouver un compromis entre faible consommation de courant et compatibilité. Dans toutes les conceptions, les résistances sont toutes des unités de 1/4 watt, 5 %.

La tension d'alimentation est réglable entre 1,4 et 6 volts DC. Notez que le circuit peut fonctionner comme un tampon lorsque la résistance de charge et la connexion de sortie sont décalées vers l'émetteur du transistor.

Faire une porte tampon à l'aide d'un seul BC547 BJT

Un suiveur de tension, ou amplificateur tampon, est un type de configuration de commutation logique identique à celle illustrée à la figure 2. Il convient de noter que la résistance de charge et la borne de sortie ont été déplacées du collecteur du transistor vers son émetteur dans ce circuit, qui est la principale différence entre cette conception et celle illustrée à la Fig. 1.

Le fonctionnement du transistor peut également être 'inversé' en déplaçant la résistance de charge et la borne de sortie à l'autre extrémité du BJT.

En d'autres termes, lorsqu'aucune polarisation n'est fournie à l'entrée du circuit, la sortie du circuit reste basse ; cependant, lorsqu'une polarisation de tension adéquate est fournie à l'entrée du circuit, la sortie du circuit devient élevée. (C'est exactement le contraire de ce qui se passe dans le circuit précédent.)

Conception de portes logiques à deux entrées à l'aide de transistors

Porte ET utilisant deux transistors

La figure 3 illustre comment une porte ET à deux entrées de base peut être créée à l'aide d'une paire de tampons, ainsi que la table de vérité pour cette porte. La table de vérité illustre ce que seraient les résultats de sortie pour chaque ensemble distinct d'entrées. Les points A et B sont utilisés comme entrées du circuit et le point C sert de sortie du circuit.

Il est important de noter à partir de la table de vérité qu'un seul ensemble de paramètres d'entrée entraîne un signal de sortie logique haut, tandis que toutes les autres combinaisons d'entrée entraînent une sortie logique bas. La sortie de la porte ET de la figure 3 reste légèrement inférieure à V+ une fois qu'elle passe au niveau haut.

Cela se produit à cause de la chute de tension entre les deux transistors (Q1 et Q2).

Porte NAND utilisant deux transistors

Une autre variante du circuit de la figure 3 et la table de vérité associée sont illustrées à la figure 4. Le circuit se transforme en une porte NAND en décalant la sortie (point C) et la résistance de sortie vers le collecteur du transistor supérieur (Q1).

Étant donné que Q1 et Q2 doivent être activés pour mettre le côté bas de R1 à la terre, la perte de tension à la sortie C est insignifiante.

Si les portes du transistor ET ou du transistor NAND ont besoin de plus de deux entrées, davantage de transistors pourraient bien être connectés dans les conceptions représentées pour fournir trois, quatre, etc., entrées ET ou portes NAND.

Cependant, afin de compenser les pertes de tension des transistors individuels, V+ doit être augmenté en conséquence.

Porte OU utilisant deux transistors

Une autre forme de circuit logique à deux entrées peut être vue sur la figure 5, ainsi que la table de vérité du circuit de porte OU.

La sortie du circuit est élevée lorsque l'entrée A ou l'entrée B est élevée, mais en raison des transistors en cascade, la chute de tension est supérieure à 0,5 volt. Encore une fois, les chiffres affichés indiquent qu'il y a suffisamment de tension et de courant pour faire fonctionner la grille de transistor suivante.

Porte NOR utilisant deux transistors

La figure 6 représente la prochaine porte de notre liste, une porte NOR à deux entrées, ainsi que sa table de vérité. Semblable à la façon dont les portes AND et NAND se répondent, les circuits OR et NOR font de même.

Chacune des portes affichées est capable de fournir suffisamment de commande pour activer au moins une ou plusieurs portes de transistor adjacentes.

Applications de porte logique de transistor

Que faites-vous des circuits numériques expliqués ci-dessus que vous possédez maintenant ? Tout ce que vous pourriez accomplir avec des portes TTL ou CMOS conventionnelles, mais sans vous soucier des restrictions de tension d'alimentation. Voici quelques applications de portes logiques à transistors en action.

Circuit démultiplexeur

Un démultiplexeur 1 sur 2 avec trois portes NON et deux circuits NAND est illustré à la figure 7. La sortie appropriée est choisie à l'aide de l''entrée d'adresse' à un bit, qui peut être OUTPUT1 ou OUTPUT2, tandis que les informations de pilotage sont appliquées. au circuit à l'aide de l'entrée DATA.

Le circuit fonctionne plus efficacement lorsque le débit de données est maintenu en dessous de 10 kHz. La fonctionnalité du circuit est simple. L'entrée DATA reçoit le signal requis, qui active Q3 et inverse les données entrantes au niveau du collecteur de Q3.

La sortie de Q1 est mise à l'état haut si l'entrée ADDRESS est à l'état bas (mise à la masse ou aucun signal n'est fourni). Au niveau du collecteur du Q1, la sortie haute est divisée en deux chemins. Dans le premier chemin, la sortie de Q1 est fournie à la base de Q5 (l'une des jambes d'une porte NAND à deux entrées), l'allumant et donc 'activant' la porte NAND composée de Q4 et Q5.

Dans le deuxième chemin, la sortie haute de Q1 est simultanément fournie à l'entrée d'une autre porte NON (Q2). Après avoir subi une double inversion, la sortie de Q2 passe au niveau bas. Ce bas est alimenté par la base de Q7 (une borne d'une deuxième porte NAND, composée de Q6 et Q7), éteignant ainsi le circuit NAND.

Toute information ou signal appliqué à l'entrée DATA arrive à OUTPUT1 dans ces circonstances. En variante, la situation est inversée si un signal haut est fourni à l'entrée ADDRESS. Cela signifie que toute information fournie au circuit s'affichera sur OUTPUT2 puisque la porte Q4/Q5 NAND est désactivée et la porte Q6/Q7 NAND est activée.

Circuit oscillateur (générateur d'horloge)

Notre prochaine application de porte logique à transistor, illustrée à la Fig. 8, est un générateur d'horloge de base (également appelé oscillateur) composé de trois inverseurs de porte NON ordinaires (dont l'un est polarisé à l'aide d'une résistance de rétroaction, R2, qui le met en la région analogique).

Pour ajuster la sortie, une troisième porte NOT (Q3) qui délivre le complément à la sortie de l'oscillateur est incluse. La valeur C1 peut être augmentée ou diminuée pour modifier la fréquence de fonctionnement du circuit. La forme d'onde de sortie a une fréquence d'environ 7 kHz avec V+ à 1,5 volts CC, en utilisant les valeurs de composants indiquées.

Circuit de verrouillage RS

La figure 9 montre notre circuit d'application final, un verrou RS composé de deux portes NOR. Afin d'assurer une commande de sortie saine aux sorties Q et Q, les résistances R3 et R4 sont ajustées à 1k ohms.

La table de vérité du verrou RS est affichée à côté de la conception schématique. Ce ne sont là que quelques illustrations des nombreux circuits de porte logique numériques basse tension dignes de confiance qui peuvent être créés à l'aide de transistors individuels.

Les circuits utilisant la logique transistorisée ont besoin de trop de pièces

De nombreux problèmes peuvent être résolus en utilisant tous ces circuits logiques transistorisés basse tension. Cependant, l'utilisation d'un trop grand nombre de ces portes transistorisées pourrait entraîner de nouveaux problèmes.

Le nombre de transistors et de résistances peut devenir assez énorme si l'application que vous construisez contient une grande quantité de portes, occupant un espace précieux.

L'utilisation de réseaux de transistors (de nombreux transistors enfermés dans du plastique) et de résistances SIP (Single Inline Package) à la place d'unités individuelles est un moyen de résoudre ce problème.

L'approche ci-dessus peut économiser une tonne d'espace sur un circuit imprimé tout en maintenant des performances égales à celles de leurs équivalents de taille normale. Les matrices de transistors sont proposées dans des boîtiers à montage en surface, traversants à 14 broches et quadruples.

Pour la plupart des circuits, mélanger les types de transistors peut être tout à fait acceptable.

Néanmoins, il est conseillé à l'expérimentateur de travailler avec un seul type de transistor pour construire les circuits logiques transistorisés (c'est-à-dire si vous créez une section d'une porte en utilisant BC547, puis essayez d'utiliser le même BJT pour fabriquer les autres portes également).

Le raisonnement est que diverses variantes de transistors pourraient avoir des propriétés quelque peu différentes et pourraient donc se comporter différemment.

Par exemple, pour certains transistors, la limite d'activation de la base peut être supérieure ou inférieure à celle d'un autre, ou l'un d'entre eux peut avoir un gain de courant global légèrement supérieur ou inférieur.

D'autre part, le coût d'achat d'une boîte en vrac d'un seul type de transistor pourrait également être inférieur. Les performances de vos circuits s'amélioreront si vos portes logiques sont construites à l'aide de transistors correspondants, et le projet dans son intégralité sera finalement plus gratifiant.