La puerta NOT

El circuito inversor de un solo transistor ilustrado anteriormente es en realidad demasiado tosco para ser de uso práctico como puerta. Los circuitos inversores reales contienen más de un transistor para maximizar la ganancia de voltaje (a fin de garantizar que el transistor de salida final esté en corte total o saturación total) y otros componentes diseñados para reducir la posibilidad de daños accidentales.

Diagrama esquemático práctico del inversor

Aquí se muestra un diagrama esquemático de un circuito inversor real, completo con todos los componentes necesarios para un funcionamiento eficiente y confiable:

Este circuito está compuesto exclusivamente por resistencias, diodos y transistores bipolares. Tenga en cuenta que otros diseños de circuitos son capaces de realizar la función de puerta NOT, incluidos los diseños que sustituyen los transistores de efecto de campo por transistores bipolares (discutidos más adelante en este capítulo).

NO Análisis de funcionamiento del circuito de puerta

Entrada alta

Analicemos este circuito en busca de la condición en la que la entrada sea "alta" o en un estado binario "1". Podemos simular esto mostrando el terminal de entrada conectado a V _cc a través de un interruptor:

En este caso, el diodo D ₁ tendrá polarización inversa y, por lo tanto, no conducirá ninguna corriente. De hecho, el único propósito de tener D ₁ en el circuito es para evitar daños al transistor en el caso de un negativo voltaje que se imprime en la entrada (un voltaje que es negativo, en lugar de positivo, con respecto a tierra).

Sin voltaje entre la base y el emisor del transistor Q ₁ , tampoco esperaríamos ninguna corriente a través de él. Sin embargo, por extraño que parezca, el transistor Q ₁ no se utiliza como es habitual en un transistor. En realidad, Q ₁ se está utilizando en este circuito como nada más que un par de diodos consecutivos. El siguiente esquema muestra la función real de Q ₁ :

El propósito de estos diodos es "dirigir" la corriente hacia o desde la base del transistor Q ₂ , dependiendo del nivel lógico de la entrada. Exactamente cómo estos dos diodos son capaces de "dirigir" la corriente no es exactamente obvio en la primera inspección, por lo que puede ser necesario un breve ejemplo para comprenderlo.

Supongamos que tenemos el siguiente circuito de diodo / resistor, que representa las uniones base-emisor de los transistores Q ₂ y Q ₄ como diodos individuales, eliminando todas las demás partes del circuito para que podamos concentrarnos en la corriente "dirigida" a través de los dos diodos consecutivos:

Con el interruptor de entrada en la posición "arriba" (conectado a V _cc ), debería ser obvio que no habrá corriente a través del diodo de dirección izquierdo de Q ₁ , porque no hay voltaje en el interruptor-diodo-R ₁ - bucle de conmutación para motivar a los electrones a fluir.

Sin embargo, habrá estar actual a través del diodo de dirección derecho de Q ₁ , así como a través de Q ₂ Unión de diodo emisor-base y Q ₄ Unión de diodo emisor-base:

Esto nos dice que en el circuito de puerta real, los transistores Q ₂ y Q ₄ tendrá corriente base, que los encenderá para conducir la corriente del colector.

El voltaje total cayó entre la base de Q ₁ (el nodo que une los dos diodos de dirección adosados) y la tierra será de aproximadamente 2,1 voltios, igual a las caídas de voltaje combinadas de tres uniones PN:el diodo de dirección derecho, Q ₂ Diodo emisor de base y Q ₄ Diodo emisor de base.

Entrada baja

Ahora, muevamos el interruptor de entrada a la posición "abajo" y veamos qué sucede:

Si midiéramos la corriente en este circuito, encontraríamos que todos de la corriente pasa por el diodo de dirección izquierdo de Q ₁ y ninguno de él a través del diodo derecho. ¿Por qué es esto? Todavía parece que hay una ruta completa para la corriente a través de Q ₄ Diodo de Q ₂ Diodo, el diodo derecho del par y R ₁ , entonces, ¿por qué no habrá corriente a través de ese camino?

Recuerde que los diodos de unión PN son dispositivos muy no lineales:ni siquiera comienzan a conducir corriente hasta que el voltaje directo aplicado a través de ellos alcanza una cierta cantidad mínima, aproximadamente 0,7 voltios para silicio y 0,3 voltios para germanio. Y luego, cuando comiencen a conducir corriente, no caerán sustancialmente más de 0,7 voltios.

Cuando el interruptor de este circuito está en la posición "hacia abajo", el diodo izquierdo del par de diodos de dirección es totalmente conductor, por lo que cae alrededor de 0,7 voltios a través de él y no más.

Recuerde que con el interruptor en la posición "arriba" (transistores Q ₂ y Q ₄ conduciendo), se cayeron alrededor de 2.1 voltios entre esos mismos dos puntos (Q ₁ La base y el suelo), que también es el mínimo voltaje necesario para polarizar hacia adelante tres uniones PN de silicio conectadas en serie a un estado de conducción.

Los 0,7 voltios proporcionados por la caída de tensión directa del diodo izquierdo son simplemente insuficientes para permitir que cualquier electrón fluya a través de la cadena en serie del diodo derecho, Q ₂ Diodo de R ₃ // Q ₄ diodo subcircuito paralelo, por lo que ningún electrón fluye a través de ese camino. Sin corriente a través de las bases de cualquiera de los transistores Q ₂ o Q ₄ , ninguno podrá conducir corriente de colector:transistores Q ₂ y Q ₄ ambos estarán en un estado de corte.

En consecuencia, esta configuración de circuito permite una conmutación del 100 por ciento de Q ₂ corriente de base (y, por lo tanto, control sobre el resto del circuito de la puerta, incluido el voltaje en la salida) mediante la desviación de la corriente a través del diodo de dirección izquierdo.

En el caso de nuestro circuito de puerta de ejemplo, la entrada se mantiene "alta" por el interruptor (conectado a V _cc ), formando el diodo de dirección izquierdo (el voltaje cero cayó a través de él). Sin embargo, el diodo de dirección derecho conduce corriente a través de la base de Q ₂ , a través de la resistencia R ₁ :

Con corriente de base proporcionada, transistor Q ₂ se activará. Más específicamente, estará saturado en virtud de la corriente más que adecuada permitida por R ₁ a través de la base. Con Q ₂ saturado, resistor R ₃ caerá suficiente voltaje para polarizar hacia adelante la unión base-emisor del transistor Q ₄ , saturándolo así también:

Con Q ₄ saturado, el terminal de salida estará casi directamente cortocircuitado a tierra, dejando el terminal de salida a un voltaje (en referencia a tierra) de casi 0 voltios, o un nivel lógico binario "0" ("bajo"). Debido a la presencia del diodo D ₂ , no habrá suficiente voltaje entre la base de Q ₃ y su emisor para encenderlo, por lo que permanece en corte.

Análisis de entrada y salida baja

Veamos ahora qué sucede si invertimos el nivel lógico de la entrada a un "0" binario accionando el interruptor de entrada:

Ahora habrá corriente a través del diodo de dirección izquierdo de Q ₁ y no hay corriente a través del diodo de dirección derecho. Esto elimina la corriente a través de la base de Q ₂ , apagándolo así.

Con Q ₂ apagado, ya no hay una ruta para Q ₄ corriente base, entonces Q ₄ también entra en corte. Q ₃ , por otro lado, ahora tiene suficiente voltaje entre su base y tierra para polarizar hacia adelante su unión base-emisor y saturarla, elevando así el voltaje del terminal de salida a un estado "alto".

En realidad, el voltaje de salida será de alrededor de 4 voltios dependiendo del grado de saturación y cualquier corriente de carga, pero aún lo suficientemente alto como para ser considerado un nivel lógico “alto” (1). Con esto, nuestra simulación del circuito inversor está completa:una entrada "1" da una salida "0", y viceversa.

Observaciones del circuito

El observador astuto notará que la entrada de este circuito inversor asumirá un estado "alto" si se deja flotando (no conectado a V _cc o tierra). Con el terminal de entrada sin conectar, no habrá corriente a través del diodo de dirección izquierdo de Q ₁ , dejando todo R ₁ Está actual para pasar por Q ₂ S base, saturando así Q ₂ y llevar la salida del circuito a un estado "bajo":

Lógica de transistor a transistor (TTL)

La tendencia de un circuito de este tipo a asumir un estado de entrada alto si se deja flotando es una que comparten todos los circuitos de compuerta basados ​​en este tipo de diseño, conocido como T ransistor a T ransistor L ogic o TTL . Esta característica se puede aprovechar para simplificar el diseño de la salida de una puerta. circuitería, sabiendo que las salidas de las puertas normalmente controlan las entradas de otras puertas.

Si la entrada de un circuito de puerta TTL asume un estado alto cuando está flotando, entonces la salida de cualquier puerta que impulse una entrada TTL solo necesita proporcionar una ruta a tierra para un estado bajo y estar flotando para un estado alto. Este concepto puede requerir una mayor elaboración para una comprensión completa, por lo que lo exploraré en detalle aquí.

Corrientes de abastecimiento y hundimiento

Corrientes de abastecimiento

Un circuito de puerta como acabamos de analizar tiene la capacidad de manejar la corriente de salida en dos direcciones:entrada y salida. Técnicamente, esto se conoce como abastecimiento y hundimiento actual, respectivamente. Cuando la salida de la puerta es alta, hay continuidad desde el terminal de salida a V _cc a través del transistor de salida superior (Q ₃ ), permitiendo que los electrones fluyan desde tierra, a través de una carga, hacia el terminal de salida de la puerta, a través del emisor de Q ₃ y, finalmente, hasta la V _cc terminal de alimentación (lado positivo de la fuente de alimentación de CC):

Para simplificar este concepto, podemos mostrar la salida de un circuito de puerta como un interruptor de doble tiro, capaz de conectar el terminal de salida a V _cc o suelo, según su estado. Para una puerta que emite un nivel lógico "alto", la combinación de Q ₃ saturado y Q ₄ el corte es análogo a un interruptor de doble tiro en el "V _cc ”Posición, proporcionando un camino para la corriente a través de una carga conectada a tierra:

Tenga en cuenta que este interruptor de dos posiciones que se muestra dentro del símbolo de la puerta es representativo de los transistores Q ₃ y Q ₄ conectando alternativamente el terminal de salida a V _cc o tierra, no del interruptor mostrado anteriormente enviando una señal de entrada a la puerta!

Corrientes hundidas

A la inversa, cuando un circuito de puerta está emitiendo un nivel lógico "bajo" a una carga, es análogo al interruptor de doble tiro que se coloca en la posición "tierra". Entonces, la corriente irá en sentido contrario si la resistencia de carga se conecta a V _cc :desde tierra, a través del emisor de Q ₄ , sale por la terminal de salida, a través de la resistencia de carga y vuelve a V _cc . En esta condición, se dice que la puerta se se hunde actual:

Requisitos para la operación TTL

La combinación de Q ₃ y Q ₄ trabajando como un par de transistores "push-pull" (también conocido como salida de tótem ) tiene la capacidad de generar corriente (extraer corriente a V _cc ) o disipar la corriente (corriente de salida de tierra) a una carga. Sin embargo, una puerta TTL estándar entrada nunca es necesario que se obtenga corriente, solo se hunde. Es decir, dado que una entrada de compuerta TTL naturalmente asume un estado alto si se deja flotante, cualquier salida de compuerta que impulse una entrada TTL solo necesita un sumidero de corriente para proporcionar una entrada "0" o "baja", y no necesita la fuente de corriente para proporcionar un "1 "O un nivel lógico" alto "en la entrada de la puerta receptora:

Salida de colector abierto

Esto significa que tenemos la opción de simplificar la etapa de salida de un circuito de puerta para eliminar Q ₃ en total. El resultado se conoce como salida de colector abierto :

Para designar circuitos de salida de colector abierto dentro de un símbolo de puerta estándar, se usa un marcador especial. Aquí se muestra el símbolo de una puerta de inversor con salida de colector abierto:

Tenga en cuenta que la condición predeterminada "alta" de una entrada de puerta flotante solo es cierta para los circuitos TTL, y no necesariamente para otros tipos, especialmente para las puertas lógicas construidas con transistores de efecto de campo.

Revisión

• Una puerta de inversor, o NO, es aquella que genera el estado opuesto al de entrada. Es decir, una entrada "baja" (0) da una salida "alta" (1) y viceversa.
• Los circuitos de compuerta construidos con resistencias, diodos y transistores bipolares, como se ilustra en esta sección, se denominan TTL . TTL es un acrónimo de Lógica de transistor a transistor . Hay otras metodologías de diseño que se utilizan en circuitos de compuerta, algunas de las cuales utilizan transistores de efecto de campo en lugar de transistores bipolares.
• Se dice que una puerta está abastecimiento corriente cuando proporciona una ruta para la corriente entre el terminal de salida y el lado positivo de la fuente de alimentación de CC (V _cc ). En otras palabras, está conectando el terminal de salida a la fuente de alimentación (+ V).
• Se dice que una puerta se se hunde corriente cuando proporciona una ruta para la corriente entre el terminal de salida y tierra. En otras palabras, está conectando a tierra (hundiendo) el terminal de salida.
• Circuitos de puerta con tótem las etapas de salida pueden obtener y hundirse Actual. Circuitos de puerta con colector abierto las etapas de salida solo pueden absorber corriente y no generar corriente. Las compuertas de colector abierto son prácticas cuando se utilizan para impulsar entradas de compuerta TTL porque las entradas TTL no requieren suministro de corriente.

Hojas de trabajo relacionadas

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