En esta publicación, aprenderemos cómo construir puertas lógicas NOT, AND, NAND, OR y NOR utilizando transistores discretos. La principal ventaja de usar puertas lógicas de transistores es que pueden funcionar incluso con voltajes tan bajos como 1,5 V.
En algunas aplicaciones electrónicas, el voltaje disponible puede ser inadecuado para alimentar circuitos integrados TTL o incluso CMOS. Esto es especialmente cierto para los dispositivos que funcionan con baterías. Sin duda, siempre tiene la opción de circuito integrado lógico de 3 voltios. Sin embargo, estos no siempre son fácilmente accesibles para el entusiasta o el experimentador, y no funcionan por debajo de sus especificaciones de voltaje definidas (generalmente por debajo de 2,5 voltios CC).
Además, es posible que solo haya lugar para una sola batería de 1,5 voltios en una aplicación alimentada por batería. Bueno, entonces, ¿qué vas a hacer? Normalmente puertas lógicas IC podría ser reemplazado por puertas lógicas transistorizadas. Para cada puerta lógica en particular, generalmente solo se requieren un par de transistores, y para una lógica de inversor de puerta NO típica, solo se requiere un transistor.
FET versus transistor bipolar
Transistores de efecto de campo (FET) frente a transistores bipolares : ¿Cuál es la mejor opción para circuitos lógicos de baja tensión? Una gran característica de HECHO es que su resistencia 'on' es increíblemente baja. Además, necesitan una corriente de activación de puerta muy baja.
Sin embargo, tienen una limitación en aplicaciones de voltaje extremadamente bajo. Por lo general, el límite de voltaje de la puerta es de aproximadamente un voltio. Además, el voltaje disponible puede disminuir por debajo del rango de trabajo óptimo del FET si se conecta a la puerta una resistencia limitadora de corriente o pull-down.
Por el contrario, los transistores de conmutación bipolares tienen una ventaja en aplicaciones de batería única de voltaje extremadamente bajo, ya que solo necesitan de 0,6 a 0,7 voltios para encenderse.
Además, la mayoría de los FET comunes, que normalmente se venden en paquetes de burbujas en su tienda de electrónica más cercana, suelen ser más costosos que los transistores bipolares. Además, generalmente se puede comprar un paquete a granel de transistores bipolares por el precio de un par de FET.
El manejo de FET requiere mucho más cuidado que el manejo de transistores bipolares. El mal uso experimental electrostático y general hace que los FET sean particularmente propensos a sufrir daños. Los componentes quemados pueden arruinar una velada agradable y creativa de experimentación o innovación, sin olvidar el dolor emocional de la depuración.
Conceptos básicos de los transistores de conmutación
Los ejemplos de circuitos lógicos que se explican en este artículo utilizan transistores NPN bipolares, ya que son asequibles y no necesitan un manejo especial. Para evitar dañar el dispositivo o las partes que lo soportan, se deben tomar las medidas de seguridad adecuadas antes de conectar su circuito.
Aunque nuestros circuitos se centran predominantemente en transistores de unión bipolar (BJT), podrían haberse construido igualmente utilizando tecnología FET.
El circuito interruptor básico es una aplicación de transistor simple, que es uno de los diseños más fáciles.
Hacer una puerta NOT con un solo transistor
En la Figura 1 se muestra un esquema del interruptor del transistor. Dependiendo de cómo se implemente en una aplicación particular, el interruptor puede verse como mantenido bajo o normalmente abierto.
Se puede crear una puerta lógica de inversor de puerta NOT simple mediante el circuito de conmutación directo que se muestra en la Fig. 1 (donde el punto A es la entrada). Una compuerta NOT funciona de tal manera que si no se proporciona polarización de CC a la base del transistor (punto A; Q1), permanecerá apagada, lo que dará como resultado un 1 alto o lógico (igual al nivel V+) en la salida ( punto B).
Sin embargo, el transistor se activa cuando se proporciona la polarización adecuada a la base de Q1, empujando la salida del circuito a un valor bajo oa 0 lógico (casi igual a cero potencial). El transistor, designado como Q1, es un transistor bipolar de uso general, o un BC547, que normalmente se utiliza en aplicaciones de amplificación y conmutación de baja potencia.
Cualquier transistor que sea equivalente (como el 2N2222, 2N4401, etc.) funcionaría. Los valores de R1 y R2 se seleccionaron para lograr un compromiso entre bajo consumo de corriente y compatibilidad. En todos los diseños, las resistencias son todas unidades de 1/4 de vatio, 5%.
La tensión de alimentación es ajustable entre 1,4 y 6 voltios CC. Tenga en cuenta que el circuito puede funcionar como un búfer cuando la resistencia de carga y la conexión de salida se desplazan al emisor del transistor.
Hacer una puerta de búfer usando un solo BC547 BJT
Un seguidor de voltaje, o amplificador de búfer, es un tipo de configuración de conmutación lógica idéntica a la que se muestra en la Figura 2. Cabe señalar que la resistencia de carga y el terminal de salida se han desplazado del colector del transistor a su emisor en este circuito, lo cual es la principal diferencia entre este diseño y el que se muestra en la Fig. 1.
El funcionamiento del transistor también se puede 'invertir' moviendo la resistencia de carga y el terminal de salida al otro extremo del BJT.
En otras palabras, cuando no se proporciona polarización a la entrada del circuito, la salida del circuito permanece baja; sin embargo, cuando se suministra una polarización de voltaje adecuado a la entrada del circuito, la salida del circuito se vuelve alta. (Eso es exactamente lo contrario de lo que sucede en el circuito anterior).
Diseño de puertas lógicas de dos entradas usando transistores
Puerta AND usando dos transistores
La Figura 3 ilustra cómo se puede crear una puerta AND básica de dos entradas usando un par de búferes, junto con la tabla de verdad para esa puerta. La tabla de verdad ilustra cuáles serían los resultados de salida para cada conjunto distinto de entradas. Los puntos A y B se utilizan como entradas del circuito y el punto C sirve como salida del circuito.
Es importante observar en la tabla de verdad que solo un conjunto de parámetros de entrada da como resultado una señal de salida lógica alta, mientras que todas las demás combinaciones de entrada dan como resultado una salida lógica baja. La salida de la compuerta AND en la Figura 3 permanece ligeramente por debajo de V+ una vez que se vuelve alta.
Esto sucede debido a la caída de voltaje entre los dos transistores (Q1 y Q2).
Puerta NAND usando dos transistores
En la Figura 4 se muestra otra variante del circuito de la Figura 3 y la tabla de verdad asociada. El circuito se convierte en una compuerta NAND al cambiar la salida (punto C) y la resistencia de salida al colector del transistor superior (Q1).
Dado que tanto Q1 como Q2 deben estar encendidos para poner a tierra el lado bajo de R1, la pérdida de voltaje en la salida C es insignificante.
Si las puertas AND o NAND del transistor necesitan más de dos entradas, se podrían conectar más transistores en los diseños mostrados para proporcionar tres, cuatro, etc., puertas AND o NAND de entrada.
Sin embargo, para compensar las pérdidas de tensión de los transistores individuales, V+ debe aumentarse correspondientemente.
Puerta OR usando dos transistores
En la figura 5 se puede ver otra forma de circuito lógico con dos entradas, junto con la tabla de verdad del circuito de puerta OR.
La salida del circuito es alta cuando la entrada A o la entrada B se elevan; sin embargo, debido a los transistores en cascada, la caída de voltaje es superior a 0,5 voltios. Una vez más, las cifras mostradas indican que hay suficiente voltaje y corriente para operar la puerta del transistor subsiguiente.
Puerta NOR usando dos transistores
La figura 6 muestra la siguiente puerta de nuestra lista, una puerta NOR de dos entradas, junto con su tabla de verdad. Similar a cómo las puertas AND y NAND responden entre sí, los circuitos OR y NOR hacen lo mismo.
Cada una de las puertas mostradas es capaz de suministrar suficiente excitación para activar al menos una o más puertas de transistores adyacentes.
Aplicaciones de puertas lógicas de transistores
¿Qué haces con los circuitos digitales explicados anteriormente que ahora posees? Cualquier cosa que pueda lograr con puertas TTL o CMOS convencionales, pero sin preocuparse por las restricciones de voltaje de suministro. Aquí hay algunas aplicaciones de puertas lógicas de transistores en acción.
Circuito demultiplexor
En la Figura 7 se ve un demultiplexor 1 de 2 con tres puertas NOT y dos circuitos NAND. La salida apropiada se elige usando la 'entrada de dirección' de un bit, que puede ser SALIDA1 o SALIDA2, mientras se aplica la información de conducción. al circuito usando la entrada DATA.
El circuito funciona con mayor eficacia cuando la tasa de datos se mantiene por debajo de 10 kHz. La funcionalidad del circuito es sencilla. La entrada de DATOS recibe la señal requerida, que enciende Q3 e invierte los datos entrantes en el colector de Q3.
La salida de Q1 se eleva si la entrada de DIRECCIÓN es baja (conectada a tierra o no se proporciona señal). En el colector del Q1, la salida alta se divide en dos caminos. En el primer camino, la salida de Q1 se suministra a la base de Q5 (una de las patas de una puerta NAND de dos entradas), encendiéndola y, por lo tanto, 'activando' la puerta NAND formada por Q4 y Q5.
En el segundo camino, la salida alta de Q1 se suministra simultáneamente a la entrada de otra puerta NOT (Q2). Después de sufrir una doble inversión, la salida de Q2 se vuelve baja. Este bajo se suministra a la base de Q7 (un terminal de una segunda puerta NAND, compuesta por Q6 y Q7), apagando así el circuito NAND.
Cualquier información o señal aplicada a la entrada de DATOS llega a la SALIDA1 en estas circunstancias. Alternativamente, la situación se invierte si se da una señal alta a la entrada DIRECCIÓN. Es decir, cualquier información proporcionada al circuito se mostrará en OUTPUT2 ya que la puerta Q4/Q5 NAND está deshabilitada y la puerta Q6/Q7 NAND está habilitada.
Circuito oscilador (generador de reloj)
Nuestra próxima aplicación de puerta lógica de transistor, ilustrada en la Fig. 8, es un generador de reloj básico (también conocido como oscilador) hecho de tres inversores de puerta NOT ordinarios (uno de los cuales está polarizado usando una resistencia de retroalimentación, R2, que lo pone en la región análoga).
Para cuadrar la salida, se incluye una tercera puerta NOT (Q3) que entrega el complemento a la salida del oscilador. El valor de C1 podría aumentarse o disminuirse para cambiar la frecuencia de funcionamiento del circuito. La forma de onda de salida tiene una frecuencia de alrededor de 7 kHz con V+ a 1,5 voltios CC, utilizando los valores de los componentes indicados.
Circuito de pestillo RS
La Fig. 9 muestra nuestro circuito de aplicación final, un pestillo RS formado por dos puertas NOR. Para garantizar un control de salida saludable en las salidas Q y Q, las resistencias R3 y R4 se ajustan a 1k ohmios.
La tabla de verdad del pestillo RS se muestra junto con el diseño esquemático. Estas son solo algunas ilustraciones de los varios circuitos digitales de puerta lógica confiables y de bajo voltaje que se pueden crear utilizando transistores individuales.
Los circuitos que utilizan lógica transistorizada necesitan demasiadas piezas
Muchos problemas se pueden resolver utilizando todos estos circuitos lógicos transistorizados de bajo voltaje. Sin embargo, el empleo de demasiadas de estas puertas transistorizadas podría generar nuevos problemas.
La cantidad de transistores y resistencias puede ser bastante grande si la aplicación que está creando contiene una gran cantidad de puertas que ocupan un espacio valioso.
El uso de matrices de transistores (muchos transistores encerrados en plástico) y resistencias SIP (paquete único en línea) en lugar de unidades individuales es una forma de resolver este problema.
El enfoque anterior puede ahorrar una tonelada de espacio en una pcb mientras mantiene un rendimiento igual al de sus equivalentes de tamaño completo. Las matrices de transistores se ofrecen en paquetes de montaje en superficie, orificio pasante de 14 pines y paquete cuádruple.
Para la mayoría de los circuitos, la mezcla de tipos de transistores puede ser bastante aceptable.
Sin embargo, es recomendable que el experimentador trabaje con un solo tipo de transistor para construir los circuitos lógicos transistorizados (es decir, si crea una sección de una puerta usando BC547, intente usar el mismo BJT para hacer las otras puertas también).
El razonamiento es que varias variantes de transistores podrían tener propiedades algo diferentes y, por lo tanto, podrían comportarse de manera diferente.
Por ejemplo, para algunos transistores, el límite de activación de la base puede ser mayor o menor que otro, o uno puede tener una ganancia de corriente general que es un poco mayor o menor.
Por otro lado, el costo de comprar una caja a granel de un solo tipo de transistor también podría ser menor. El rendimiento de sus circuitos mejorará si sus compuertas lógicas se construyen utilizando transistores coincidentes y, en última instancia, el proyecto en su totalidad será más gratificante.
