Gerbang NOT

Rangkaian inverter transistor tunggal yang diilustrasikan sebelumnya sebenarnya terlalu kasar untuk digunakan secara praktis sebagai gerbang. Sirkuit inverter yang sebenarnya berisi lebih dari satu transistor untuk memaksimalkan penguatan tegangan (sehingga untuk memastikan bahwa transistor keluaran akhir dalam keadaan cutoff penuh atau saturasi penuh), dan komponen lain yang dirancang untuk mengurangi kemungkinan kerusakan yang tidak disengaja.

Diagram Skema Inverter Praktis

Ditampilkan di sini adalah diagram skema untuk rangkaian inverter nyata, lengkap dengan semua komponen yang diperlukan untuk operasi yang efisien dan andal:

Sirkuit ini terdiri secara eksklusif dari resistor, dioda dan transistor bipolar. Ingatlah bahwa desain sirkuit lain mampu melakukan fungsi gerbang NOT, termasuk desain yang menggantikan transistor efek medan untuk bipolar (dibahas nanti dalam bab ini).

Analisis Operasi Sirkuit NOT Gerbang

Masukan Tinggi

Mari kita analisis sirkuit ini untuk kondisi di mana inputnya "tinggi", atau dalam keadaan biner "1". Kita dapat mensimulasikan ini dengan menunjukkan terminal input yang terhubung ke V_cc melalui sakelar:

Dalam hal ini, dioda D₁ akan dibias mundur, dan karenanya tidak menghantarkan arus apa pun. Faktanya, satu-satunya tujuan memiliki D₁ di sirkuit adalah untuk mencegah kerusakan transistor dalam kasus negatif tegangan yang terkesan pada input (tegangan yang negatif, bukan positif, sehubungan dengan ground).

Tanpa tegangan antara basis dan emitor transistor Q₁ , kami juga mengharapkan tidak ada arus yang melaluinya. Namun, seaneh kelihatannya, transistor Q₁ tidak digunakan seperti biasa untuk transistor. Kenyataannya, T₁ sedang digunakan di sirkuit ini sebagai tidak lebih dari sepasang dioda back-to-back. Skema berikut menunjukkan fungsi nyata dari Q₁ :

Tujuan dari dioda ini adalah untuk "mengarahkan" arus ke atau menjauh dari basis transistor Q₂ , tergantung pada tingkat logika input. Bagaimana tepatnya kedua dioda ini dapat "mengarahkan" arus tidak begitu jelas pada pemeriksaan pertama, jadi contoh singkat mungkin diperlukan untuk pemahaman.

Misalkan kita memiliki rangkaian dioda/resistor berikut, yang mewakili sambungan basis-emitor transistor Q₂ dan T₄ sebagai dioda tunggal, melepaskan semua bagian lain dari rangkaian sehingga kita dapat berkonsentrasi pada arus yang "dikemudikan" melalui dua dioda back-to-back:

Dengan sakelar input di posisi “atas” (terhubung ke V_cc ), harus jelas bahwa tidak akan ada arus melalui dioda kemudi kiri Q₁ , karena tidak ada tegangan di sakelar-dioda-R₁ -switch loop untuk memotivasi elektron mengalir.

Namun, ada akan arus melalui dioda kemudi kanan Q₁ , serta melalui Q₂ sambungan dioda basis-emitor dan Q₄ sambungan dioda basis-emitor:

Ini memberitahu kita bahwa dalam rangkaian gerbang nyata, transistor Q₂ dan T₄ akan memiliki arus basis, yang akan mengaktifkannya untuk mengalirkan arus kolektor.

Tegangan total turun antara dasar Q₁ (simpul yang menghubungkan dua dioda kemudi back-to-back) dan ground akan menjadi sekitar 2,1 volt, sama dengan penurunan tegangan gabungan dari tiga sambungan PN:dioda kemudi kanan, Q₂ dioda basis-emitor, dan Q₄ dioda basis-emitor.

Masukan Rendah

Sekarang, mari pindahkan sakelar input ke posisi “bawah” dan lihat apa yang terjadi:

Jika kita mengukur arus di sirkuit ini, kita akan menemukan bahwa semua arus melewati dioda kemudi kiri Q₁ dan tidak ada itu melalui dioda kanan. Kenapa ini? Tampaknya masih ada jalur lengkap untuk arus melalui Q₄ dioda, Q₂ dioda, dioda kanan pasangan, dan R₁ , jadi mengapa tidak ada arus yang melalui jalur itu?

Ingatlah bahwa dioda sambungan PN adalah perangkat yang sangat nonlinier:mereka bahkan tidak mulai menghantarkan arus sampai tegangan maju yang diterapkan melintasinya mencapai jumlah minimum tertentu, sekitar 0,7 volt untuk silikon dan 0,3 volt untuk germanium. Dan kemudian ketika mereka mulai menghantarkan arus, mereka tidak akan turun secara substansial lebih dari 0,7 volt.

Saat sakelar di sirkuit ini berada pada posisi “turun”, dioda kiri dari pasangan dioda kemudi konduksi penuh, sehingga tegangannya turun sekitar 0,7 volt dan tidak lebih.

Ingatlah bahwa dengan sakelar di posisi "naik" (transistor Q₂ dan T₄ konduktor), ada sekitar 2,1 volt yang turun di antara dua titik yang sama (Q₁ dasar dan tanah), yang juga merupakan minimum tegangan yang diperlukan untuk membias maju tiga sambungan PN silikon yang terhubung seri ke keadaan konduksi.

0,7 volt yang diberikan oleh penurunan tegangan maju dioda kiri tidak cukup untuk memungkinkan aliran elektron melalui rangkaian seri dioda kanan, Q₂ dioda, dan R₃ //T₄ rangkaian paralel dioda, sehingga tidak ada elektron yang mengalir melalui jalur itu. Tanpa arus melalui basis kedua transistor Q₂ atau T₄ , tidak ada satu pun yang dapat menghantarkan arus kolektor:transistor Q₂ dan T₄ keduanya akan dalam keadaan terputus.

Akibatnya, konfigurasi sirkuit ini memungkinkan peralihan 100 persen Q₂ arus basis (dan karenanya mengontrol rangkaian gerbang lainnya, termasuk tegangan pada keluaran) dengan pengalihan arus melalui dioda kemudi kiri.

Dalam kasus rangkaian gerbang contoh kami, input ditahan "tinggi" oleh sakelar (terhubung ke V_cc ), membuat dioda kemudi kiri (tegangan nol jatuh di atasnya). Namun, dioda kemudi kanan mengalirkan arus melalui basis Q₂ , melalui resistor R₁ :

Dengan arus basis yang disediakan, transistor Q₂ akan dihidupkan. Lebih khusus lagi, itu akan jenuh berdasarkan arus yang lebih dari cukup yang diizinkan oleh R₁ melalui pangkalan. Dengan Q₂ jenuh, resistor R₃ akan menjatuhkan tegangan yang cukup untuk membias maju sambungan basis-emitor transistor Q₄ , sehingga menjenuhkannya juga:

Dengan Q₄ jenuh, terminal output akan hampir secara langsung dihubung singkat ke ground, meninggalkan terminal output pada tegangan (mengacu pada ground) hampir 0 volt, atau tingkat logika biner “0” (“rendah”). Karena adanya dioda D₂ , tidak akan ada tegangan yang cukup antara dasar Q₃ dan emitornya untuk menyalakannya, sehingga tetap terputus.

Analisis Output Input Rendah

Sekarang mari kita lihat apa yang terjadi jika kita membalikkan level logika input ke biner “0” dengan mengaktifkan sakelar input:

Sekarang akan ada arus melalui dioda kemudi kiri Q₁ dan tidak ada arus melalui dioda kemudi kanan. Ini menghilangkan arus melalui basis Q₂ , sehingga mematikannya.

Dengan Q₂ nonaktif, tidak ada lagi jalur untuk Q₄ arus basis, jadi Q₄ masuk ke cutoff juga. T₃ , di sisi lain, sekarang memiliki tegangan yang cukup turun antara basis dan ground untuk membias maju persimpangan basis-emitor dan menjenuhkannya, sehingga meningkatkan tegangan terminal output ke status "tinggi".

Pada kenyataannya, tegangan output akan berada di sekitar 4 volt tergantung pada tingkat kejenuhan dan arus beban apa pun, tetapi masih cukup tinggi untuk dianggap sebagai level logika "tinggi" (1). Dengan ini, simulasi rangkaian inverter kami selesai:"1" masuk memberikan "0" keluar, dan sebaliknya.

Pengamatan Sirkuit

Pengamat yang cerdik akan mencatat bahwa input rangkaian inverter ini akan mengambil status "tinggi" jika dibiarkan mengambang (tidak terhubung ke salah satu V_cc atau tanah). Dengan terminal input dibiarkan tidak terhubung, tidak akan ada arus melalui dioda kemudi kiri Q₁ , meninggalkan semua R₁ arus melewati Q₂ dasar, sehingga menjenuhkan Q₂ dan mengarahkan output sirkuit ke status "rendah":

Logika Transistor-ke-Transistor (TTL)

Kecenderungan sirkuit seperti itu untuk mengasumsikan status input tinggi jika dibiarkan mengambang adalah salah satu yang dimiliki oleh semua sirkuit gerbang berdasarkan jenis desain ini, yang dikenal sebagai T ransistor-ke-T transistor L sihir, atau TTL . Karakteristik ini dapat dimanfaatkan untuk menyederhanakan desain output gerbang sirkuit, mengetahui bahwa keluaran gerbang biasanya menggerakkan masukan gerbang lain.

Jika input dari rangkaian gerbang TTL mengasumsikan status tinggi saat mengambang, maka output dari gerbang mana pun yang menggerakkan input TTL hanya perlu menyediakan jalur ke ground untuk status rendah dan mengambang untuk status tinggi. Konsep ini mungkin memerlukan elaborasi lebih lanjut untuk pemahaman penuh, jadi saya akan menjelajahinya secara rinci di sini.

Sourcing dan Sinking Currents

Arus Sumber

Rangkaian gerbang seperti yang baru saja kita analisis memiliki kemampuan untuk menangani arus keluaran dalam dua arah:masuk dan keluar. Secara teknis, ini dikenal sebagai sumber dan tenggelam saat ini, masing-masing. Ketika output gerbang tinggi, ada kontinuitas dari terminal output ke V_cc melalui transistor keluaran atas (Q₃ ), memungkinkan elektron mengalir dari tanah, melalui beban, ke terminal keluaran gerbang, melalui emitor Q₃ , dan akhirnya sampai V_cc terminal daya (sisi positif catu daya DC):

Untuk menyederhanakan konsep ini, kita dapat menunjukkan output dari rangkaian gerbang sebagai saklar lempar ganda, yang mampu menghubungkan terminal output baik ke V_cc atau tanah, tergantung pada keadaannya. Untuk gerbang yang mengeluarkan level logika "tinggi", kombinasi Q₃ jenuh dan Q₄ cutoff analog dengan saklar double-throw di “V_cc posisi ”, menyediakan jalur untuk arus melalui beban yang diarde:

Harap dicatat bahwa sakelar dua posisi yang ditunjukkan di dalam simbol gerbang ini mewakili transistor Q₃ dan T₄ menghubungkan terminal keluaran secara bergantian ke V_cc atau tanah, bukan dari sakelar yang ditunjukkan sebelumnya mengirimkan sinyal input ke gerbang!

Arus Tenggelam

Sebaliknya, ketika rangkaian gerbang mengeluarkan tingkat logika "rendah" ke beban, itu analog dengan sakelar lemparan ganda yang diatur pada posisi "tanah". Arus kemudian akan berjalan sebaliknya jika hambatan beban terhubung ke V_cc :dari tanah, melalui emitor Q₄ , keluar dari terminal keluaran, melalui tahanan beban, dan kembali ke V_cc . Dalam kondisi ini, gerbang dikatakan tenggelam saat ini:

Persyaratan untuk Operasi TTL

Kombinasi Q₃ dan T₄ bekerja sebagai pasangan transistor "push-pull" (atau dikenal sebagai output tiang totem ) memiliki kemampuan untuk sumber arus (menarik arus ke V_cc ) atau arus tenggelam (arus keluaran dari tanah) ke beban. Namun, gerbang TTL standar input tidak pernah membutuhkan arus untuk bersumber, hanya tenggelam. Artinya, karena input gerbang TTL secara alami mengasumsikan status tinggi jika dibiarkan mengambang, keluaran gerbang apa pun yang menggerakkan input TTL hanya perlu menenggelamkan arus untuk memberikan input "0" atau "rendah", dan tidak perlu sumber arus untuk memberikan "1 ” atau level logika “tinggi” pada input gerbang penerima:

Keluaran Kolektor Terbuka

Ini berarti kita memiliki pilihan untuk menyederhanakan tahap keluaran dari rangkaian gerbang untuk menghilangkan Q₃ sama sekali. Hasilnya dikenal sebagai output kolektor terbuka :

Untuk menunjuk sirkuit keluaran kolektor terbuka dalam simbol gerbang standar, penanda khusus digunakan. Ditampilkan di sini adalah simbol untuk gerbang inverter dengan keluaran kolektor terbuka:

Harap diingat bahwa kondisi default "tinggi" dari input gerbang mengambang hanya berlaku untuk sirkuit TTL, dan tidak harus untuk jenis lain, terutama untuk gerbang logika yang dibuat dari transistor efek medan.

Ulasan

• Gerbang inverter, atau NOT, adalah gerbang yang mengeluarkan keadaan yang berlawanan dengan inputnya. Artinya, input “rendah” (0) memberikan output “tinggi” (1), dan sebaliknya.
• Rangkaian gerbang yang dibuat dari resistor, dioda, dan transistor bipolar seperti yang diilustrasikan pada bagian ini disebut TTL . TTL adalah singkatan dari Transistor-to-Transistor Logic . Ada metodologi desain lain yang digunakan dalam rangkaian gerbang, beberapa di antaranya menggunakan transistor efek medan daripada transistor bipolar.
• Sebuah gerbang dikatakan sebagai sumber arus ketika menyediakan jalur untuk arus antara terminal keluaran dan sisi positif catu daya DC (V_cc ). Dengan kata lain, ini menghubungkan terminal keluaran ke sumber daya (+V).
• Sebuah gerbang dikatakan tenggelam arus ketika menyediakan jalur untuk arus antara terminal output dan ground. Dengan kata lain, ini adalah grounding (tenggelam) terminal output.
• Sirkuit gerbang dengan tiang totem tahap keluaran dapat keduanya sumber dan tenggelam saat ini. Sirkuit gerbang dengan kolektor terbuka tahap keluaran hanya mampu menenggelamkan arus, dan bukan arus sumber. Gerbang kolektor terbuka praktis saat digunakan untuk menggerakkan input gerbang TTL karena input TTL tidak memerlukan sumber arus.

Lembar Kerja Terkait

• Lembar Kerja Gerbang Logika TTL

• Lembar Kerja Gerbang Logika Dasar