Pull to refresh

Построение логических элементов на транзисторах

Level of difficultyMedium
Reading time3 min
Views9K

Ещё очень давно, как только я начал интересоваться цифровой электроникой, я изучал логические элементы и сразу хотел что-то собрать на их основе, но самих микросхем логики у меня изначально не было, поэтому я решил собрать их самому на основе биполярных транзисторов NPN типа и резисторах.

Такая логика называется РТЛ (резисторно-транзисторная логика)

Велосипед я не изобрёл, просто собрал  кучу разного материала, плюс сам экспериментировал. Схемы примера собирал в программе Multisim и тестировал на настоящих транзисторах PN2222A. И вот что у меня вышло.

Инверсия (НЕ, NOT) - Логическое отрицание

Обозначение элемента НЕ и таблица истинности
Обозначение элемента НЕ и таблица истинности
Схема элемента НЕ на РТЛ
Схема элемента НЕ на РТЛ

Ключ S1 подключённый через подтягивающий резистор на землю, подаёт на базу ток и открывает транзистор, подключённый в режиме ключа, весь ток проходит через него и на выходе, грубо говоря, имеем сигнал 0, но когда мы размыкаем ключ, транзистор закрывается, ток через него не проходит, а идёт он в индикатор, и на выходе мы имеем сигнал 1. Сопротивления для каждого резистора надо подбирать, как я понял индивидуально, так как информации о РТЛ немного и нигде не пишут о конкретных сопротивлениях или формулах для их вычисления.

На схеме: X - входной сигнал, Y - выходной сигнал.

Я считаю, что элемент НЕ является основным РТЛ и именно от его схемы строятся остальные логические элементы.

Конъюнкция (И, AND) - Логическое умножение

Обозначение элемента И и таблица истинности
Обозначение элемента И и таблица истинности
Схема элемента И на РТЛ
Схема элемента И на РТЛ

Здесь ситуация поинтереснее, выходной сигнал уже снимается с эмиттера транзистора, он не инвертируется, а значит на выходе мы получим 1 только тогда, когда оба транзистора будут открыты.

На схеме: X1 - первый входной сигнал, X2 - второй входной сигнал, Y - выходной сигнал.

Если выходной сигнал брать с коллектора верхнего транзистора, то мы получим инвертированный выходной сигнал элемента И, а точнее логический элемент И-НЕ (NAND).

Дизъюнкция (ИЛИ, OR) - Логическое сложение

Обозначение элемента ИЛИ и таблица истинности
Обозначение элемента ИЛИ и таблица истинности
Схема элемента ИЛИ на РТЛ
Схема элемента ИЛИ на РТЛ

Тут снова выходной сигнал снимается с эмиттера транзистора, но уже не одного, так как транзисторы соединены не последовательно, а параллельно. И 1 на выходе мы получим, когда хотя бы один транзистор открыт.

На схеме: X1 - первый входной сигнал, X2 - второй входной сигнал, Y - выходной сигнал.

Так же как и с элементом И, мы можем соединить коллекторы транзистора вместе и снимать выходной сигнал, так мы получим инвертированный элемент ИЛИ, ИЛИ-НЕ (XOR).

Добавлю для справки преимущества и недостатки резисторно-транзисторной логики:

Достоинства:

  • Конструктивная простота;

  • Низкая стоимость.

Недостатки:

  • Высокая рассеиваемая мощность (как на включенном ключе так и на резисторах);

  • Нечёткий уровень сигналов (уровень единицы от ~0,9В до напряжения питания);

  • Крайне низкое быстродействие;

  • Низкая помехоустойчивость;

  • Сложность разработки;

  • Низкая нагрузочная способность выходов (обычно не более трёх входов других элементов).

Подводя итог, я поделился с вами схемами и достаточно простым объяснением, как работают основные элементы резисторно-транзисторной логики. Сейчас её практически не применяют, так как есть другие реализации, например, ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика), или ДТЛ (диодно-транзисторная логика).

Ещё есть очень много элементов логики, например: строгая дизъюнкция, эквивалентность, импликация, инкремент, большой раздел составных логических элементов и т.д. Все они собирались из основных логических элементов. Из более сложных, появлялись ещё более сложные, пока не выросли до микросхем, чипов, микроконтроллеров и т.д.

В следующих статьях расскажу про всё более сложную логику, триггеры, схемы на ТТЛ и ДТЛ, и постараюсь собрать рабочий компьютер (по факту калькулятор) исключительно на микросхемах цифровой логики.

Редактированние: если вы будете собирать на практике такие схему, то перед ключами нужно ставить токоограничивающий резистор, чтобы транзистор не сгорел, я не включал его в схему специально, так как хотел просто показать принцип работы логических элементов. А лучше поставить токоограничивающий резистор перед базой каждого транзистора. В схемах выше, я просто показал основное устройство логических элементов на базе РТЛ, в действительности они выглядят намного сложнее.

P. S. Это моя первая статья здесь и я не эксперт в электронике, ещё только учусь, где-то могут быть ошибки. Сильно не бейте.

Tags:
Hubs:
Total votes 17: ↑13 and ↓4+16
Comments22

Articles