The NOT Gate

O circuito inversor de transistor único ilustrado anteriormente é, na verdade, muito rudimentar para ser útil como uma porta. Os circuitos do inversor reais contêm mais de um transistor para maximizar o ganho de tensão (de modo a garantir que o transistor de saída final esteja em corte total ou saturação total) e outros componentes projetados para reduzir a chance de danos acidentais.

Diagrama esquemático do inversor prático

Aqui é mostrado um diagrama esquemático de um circuito inversor real, completo com todos os componentes necessários para uma operação eficiente e confiável:





Este circuito é composto exclusivamente por resistores, diodos e transistores bipolares. Lembre-se de que outros projetos de circuito são capazes de realizar a função NOT gate, incluindo projetos que substituem os transistores de efeito de campo por bipolares (discutidos posteriormente neste capítulo).

NÃO Análise de operação de circuito de gate

Alta entrada

Vamos analisar este circuito para a condição em que a entrada é "alta" ou em um estado binário "1". Podemos simular isso mostrando o terminal de entrada conectado a V _cc através de um interruptor:





Neste caso, diodo D ₁ terá polarização reversa e, portanto, não conduzirá nenhuma corrente. Na verdade, o único propósito de ter D ₁ no circuito é para evitar danos ao transistor no caso de um negativo tensão sendo impressa na entrada (uma tensão que é negativa, em vez de positiva, em relação ao aterramento).

Sem tensão entre a base e o emissor do transistor Q ₁ , também não esperaríamos nenhuma corrente através dele. No entanto, por mais estranho que possa parecer, transistor Q ₁ não está sendo usado como de costume para um transistor. Na realidade, Q ₁ está sendo usado neste circuito como nada mais do que um par de diodos consecutivos. O esquema a seguir mostra a função real de Q ₁ :



O objetivo desses diodos é "direcionar" a corrente para ou longe da base do transistor Q ₂ , dependendo do nível lógico da entrada. Exatamente como esses dois diodos são capazes de "direcionar" a corrente não é exatamente óbvio na primeira inspeção, então um pequeno exemplo pode ser necessário para o entendimento.

Suponha que tenhamos o seguinte circuito de diodo / resistor, representando as junções base-emissor dos transistores Q ₂ e Q ₄ como diodos únicos, removendo todas as outras partes do circuito para que possamos nos concentrar na corrente "dirigida" através dos dois diodos consecutivos:



Com a chave de entrada na posição “para cima” (conectada a V _cc ), deve ser óbvio que não haverá corrente através do diodo direcionador esquerdo de Q ₁ , porque não há nenhuma tensão na chave-diodo-R ₁ -witch loop para motivar o fluxo de elétrons.

No entanto, haverá ser atual através do diodo direcionador direito de Q ₁ , bem como através de Q ₂ Junção de diodo base-emissor e Q ₄ Junção de diodo base-emissor:



Isso nos diz que no circuito de porta real, os transistores Q ₂ e Q ₄ terão corrente de base, que os ligará para conduzir a corrente do coletor.

A tensão total caiu entre a base de Q ₁ (o nó que une os dois diodos de direção consecutivos) e o solo será de cerca de 2,1 volts, igual às quedas de tensão combinadas de três junções PN:o diodo de direção direito, Q ₂ Diodo emissor de base, e Q ₄ Diodo emissor de base.

Baixa entrada

Agora, vamos mover a chave de entrada para a posição "para baixo" e ver o que acontece:



Se tivéssemos que medir a corrente neste circuito, descobriríamos que todos da corrente passa pelo diodo direcionador esquerdo de Q ₁ e nenhum dele através do diodo certo. Por que é isso? Ainda parece que há um caminho completo para a corrente até Q ₄ Diodo 's, Q ₂ Diodo 's, o diodo direito do par, e R ₁ , então por que não haverá corrente por esse caminho?

Lembre-se de que os diodos de junção PN são dispositivos muito não lineares:eles nem mesmo começam a conduzir corrente até que a tensão direta aplicada através deles alcance uma certa quantidade mínima, aproximadamente 0,7 volts para o silício e 0,3 volts para o germânio. E então, quando eles começarem a conduzir a corrente, eles não cairão substancialmente mais do que 0,7 volts.

Quando a chave neste circuito está na posição "para baixo", o diodo esquerdo do par de diodos de direção está totalmente conduzindo e, portanto, cai cerca de 0,7 volts sobre ele e nada mais.



Lembre-se de que com a chave na posição “para cima” (transistores Q ₂ e Q ₄ conduzindo), houve queda de cerca de 2,1 volts entre esses mesmos dois pontos (Q ₁ Base e solo), que também passa a ser o mínimo tensão necessária para polarizar diretamente três junções PN de silício conectadas em série para um estado de condução.

Os 0,7 volts fornecidos pela queda de tensão direta do diodo esquerdo são simplesmente insuficientes para permitir que qualquer elétron flua através da sequência em série do diodo direito, Q ₂ Diodo ‘s, e o R ₃ // Q ₄ subcircuito paralelo de diodo e, portanto, nenhum elétron flui por esse caminho. Sem corrente através das bases de qualquer um dos transistores Q ₂ ou Q ₄ , nenhum deles será capaz de conduzir corrente de coletor:transistores Q ₂ e Q ₄ ambos estarão em um estado de corte.

Consequentemente, esta configuração de circuito permite 100 por cento de comutação de Q ₂ corrente de base (e, portanto, controle sobre o resto do circuito da porta, incluindo a tensão na saída) por desvio de corrente através do diodo de direção esquerdo.

No caso do nosso circuito de porta de exemplo, a entrada é mantida "alta" pelo interruptor (conectado a V _cc ), formando o diodo de direção esquerdo (a tensão zero caiu através dele). No entanto, o diodo direcionador correto está conduzindo corrente através da base de Q ₂ , através do resistor R ₁ :



Com a corrente de base fornecida, transistor Q ₂ será "ligado". Mais especificamente, será saturado em virtude da corrente mais do que adequada permitida por R ₁ através da base. Com Q ₂ saturado, resistor R ₃ estará reduzindo a tensão suficiente para polarizar diretamente a junção base-emissor do transistor Q ₄ , saturando-o também:



Com Q ₄ saturado, o terminal de saída ficará quase diretamente em curto com o aterramento, deixando o terminal de saída em uma tensão (em referência ao aterramento) de quase 0 volts, ou um nível lógico binário “0” (“baixo”). Devido à presença do diodo D ₂ , não haverá voltagem suficiente entre a base de Q ₃ e seu emissor para ligá-lo, então ele permanece em corte.

Análise de baixa entrada e saída

Vamos ver agora o que acontece se revertermos o nível lógico da entrada para um binário "0", acionando a chave de entrada:



Agora haverá corrente através do diodo direcionador esquerdo de Q ₁ e nenhuma corrente através do diodo de direção correto. Isso elimina a corrente através da base de Q ₂ , desligando-o assim.

Com Q ₂ desligado, não há mais um caminho para Q ₄ corrente de base, então Q ₄ entra em corte também. Q ₃ , por outro lado, agora tem queda de tensão suficiente entre sua base e o terra para polarizar diretamente sua junção base-emissor e saturá-la, aumentando assim a tensão do terminal de saída para um estado "alto".

Na realidade, a tensão de saída será algo em torno de 4 volts dependendo do grau de saturação e qualquer corrente de carga, mas ainda alta o suficiente para ser considerada um nível lógico “alto” (1). Com isso, nossa simulação do circuito do inversor está completa:um “1” na entrada dá uma saída “0” e vice-versa.

Observações do circuito

O observador astuto notará que a entrada deste circuito inversor assumirá um estado "alto" se deixado flutuando (não conectado a qualquer um dos V _cc ou terra). Com o terminal de entrada deixado desconectado, não haverá corrente através do diodo de direção esquerdo de Q ₁ , deixando tudo de R ₁ Corrente para passar por Q ₂ 'S base, saturando assim Q ₂ e conduzir a saída do circuito para um estado "baixo":

Lógica de transistor para transistor (TTL)

A tendência de tal circuito de assumir um estado de entrada alta se for deixado flutuando é compartilhada por todos os circuitos de porta com base neste tipo de projeto, conhecido como T ransistor-para- T ransistor L ogic ou TTL . Esta característica pode ser aproveitada para simplificar o projeto da saída de um portão circuitos, sabendo que as saídas das portas normalmente conduzem as entradas de outras portas.

Se a entrada de um circuito de porta TTL assume um estado alto quando flutuando, então a saída de qualquer porta que conduz uma entrada TTL precisa apenas fornecer um caminho para o aterramento para um estado baixo e estar flutuando para um estado alto. Esse conceito pode exigir uma elaboração adicional para um entendimento completo, portanto, vou explorá-lo em detalhes aqui.

Correntes de abastecimento e drenagem

Fontes de abastecimento

Um circuito de porta, como acabamos de analisar, tem a capacidade de lidar com a corrente de saída em duas direções:dentro e fora. Tecnicamente, isso é conhecido como sourcing e afundando atual, respectivamente. Quando a saída da porta é alta, há continuidade do terminal de saída para V _cc através do transistor de saída superior (Q ₃ ), permitindo que os elétrons fluam do solo, através de uma carga, para o terminal de saída do portão, através do emissor de Q ₃ e, eventualmente, até V _cc terminal de alimentação (lado positivo da fonte de alimentação DC):





Para simplificar este conceito, podemos mostrar a saída de um circuito de portão como sendo uma chave de duplo acionamento, capaz de conectar o terminal de saída a V _cc ou terra, dependendo de seu estado. Para uma porta que produz um nível lógico “alto”, a combinação de Q ₃ saturado e Q ₄ o corte é análogo a um interruptor de acionamento duplo no “V _cc "Posição, fornecendo um caminho para a corrente através de uma carga aterrada:



Observe que esta chave de duas posições mostrada dentro do símbolo do portão é representativa dos transistores Q ₃ e Q ₄ conectando alternadamente o terminal de saída a V _cc ou terra, não da chave mostrada anteriormente enviando um sinal de entrada para o portão!

Correntes que afundam

Por outro lado, quando um circuito de gate está emitindo um nível lógico “baixo” para uma carga, é análogo ao interruptor de duplo acionamento sendo colocado na posição “solo”. A corrente irá então ir para o outro lado se a resistência de carga se conectar a V _cc :do solo, através do emissor de Q ₄ , para fora do terminal de saída, através da resistência de carga, e de volta para V _cc . Nesta condição, o portão está afundando atual:

Requisitos para operação TTL

A combinação de Q ₃ e Q ₄ funcionando como um par de transistores “push-pull” (também conhecido como uma saída de totem pole ) tem a capacidade de fornecer corrente (drenar corrente para V _cc ) ou dissipar a corrente (corrente de saída do solo) para uma carga. No entanto, uma porta TTL padrão entrada nunca precisa de corrente para ser adquirida, apenas afundada. Ou seja, uma vez que uma entrada de porta TTL assume naturalmente um estado alto se for deixada flutuando, qualquer saída de porta que conduza uma entrada TTL precisa apenas de drenagem de corrente para fornecer uma entrada "0" ou "baixa" e não precisa de fonte de corrente para fornecer um "1 ”Ou um nível lógico“ alto ”na entrada da porta de recepção:

Saída de coletor aberto

Isso significa que temos a opção de simplificar o estágio de saída de um circuito de porta de modo a eliminar Q ₃ completamente. O resultado é conhecido como uma saída de coletor aberto :



Para designar circuitos de saída de coletor aberto dentro de um símbolo de portão padrão, um marcador especial é usado. Aqui é mostrado o símbolo de uma porta do inversor com saída de coletor aberto:



Lembre-se de que a condição padrão “alta” de uma entrada de porta flutuante só é verdadeira para circuitos TTL e não necessariamente para outros tipos, especialmente para portas lógicas construídas com transistores de efeito de campo.

Revisão

• Um inversor, ou NÃO, porta é aquele que produz o estado oposto ao que é de entrada. Ou seja, uma entrada “baixa” (0) dá uma saída “alta” (1) e vice-versa.
• Circuitos de porta construídos de resistores, diodos e transistores bipolares, conforme ilustrado nesta seção, são chamados de TTL . TTL é um acrônimo que significa Lógica Transistor-para-Transistor . Existem outras metodologias de projeto usadas em circuitos de porta, algumas que usam transistores de efeito de campo em vez de transistores bipolares.
• Diz-se que uma porta está sourcing corrente quando fornece um caminho para a corrente entre o terminal de saída e o lado positivo da fonte de alimentação DC (V _cc ) Em outras palavras, ele está conectando o terminal de saída à fonte de alimentação (+ V).
• Diz-se que um portão está afundando corrente quando fornece um caminho para a corrente entre o terminal de saída e o terra. Em outras palavras, ele está aterrando (afundando) o terminal de saída.
• circuitos de porta com totem pole estágios de saída são capazes de fonte e afundar atual. Circuitos de portão com coletor aberto os estágios de saída são capazes apenas de absorver a corrente, e não da fonte de corrente. Portas de coletor aberto são práticas quando usadas para conduzir entradas de porta TTL porque as entradas TTL não requerem fonte de corrente.

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