La porte NON

Le circuit inverseur à transistor unique illustré précédemment est en fait trop rudimentaire pour être utile en pratique comme porte. Les vrais circuits d'onduleur contiennent plus d'un transistor pour maximiser le gain de tension (afin de garantir que le transistor de sortie final est soit en pleine coupure, soit en pleine saturation), et d'autres composants conçus pour réduire les risques de dommages accidentels.

Schéma pratique de l'onduleur

Voici un schéma de principe d'un circuit d'onduleur réel, complet avec tous les composants nécessaires pour un fonctionnement efficace et fiable :

Ce circuit est composé exclusivement de résistances, de diodes et de transistors bipolaires. Gardez à l'esprit que d'autres conceptions de circuits sont capables d'exécuter la fonction de porte NON, y compris les conceptions substituant des transistors à effet de champ aux transistors bipolaires (discutés plus loin dans ce chapitre).

PAS d'analyse du fonctionnement du circuit de porte

Entrée élevée

Analysons ce circuit pour la condition où l'entrée est "haute" ou dans un état binaire "1". Nous pouvons simuler cela en montrant la borne d'entrée connectée à V_cc via un interrupteur :

Dans ce cas, la diode D₁ sera polarisé en inverse et ne conduira donc aucun courant. En fait, le seul but d'avoir D₁ dans le circuit est d'éviter d'endommager le transistor dans le cas d'un négatif tension appliquée à l'entrée (une tension négative plutôt que positive par rapport à la terre).

Sans tension entre la base et l'émetteur du transistor Q₁ , nous nous attendrions à ce qu'aucun courant ne le traverse non plus. Cependant, aussi étrange que cela puisse paraître, le transistor Q₁ n'est pas utilisé comme d'habitude pour un transistor. En réalité, Q₁ est utilisé dans ce circuit comme rien de plus qu'une paire de diodes dos à dos. Le schéma suivant montre la fonction réelle de Q₁ :

Le but de ces diodes est de « diriger » le courant vers ou à partir de la base du transistor Q₂ , en fonction du niveau logique de l'entrée. La manière exacte dont ces deux diodes sont capables de « diriger » le courant n'est pas tout à fait évidente à la première inspection, un court exemple peut donc être nécessaire pour comprendre.

Supposons que nous ayons le circuit diode/résistance suivant, représentant les jonctions base-émetteur des transistors Q₂ et Q₄ en tant que diodes simples, en supprimant toutes les autres parties du circuit afin que nous puissions nous concentrer sur le courant « dirigé » à travers les deux diodes dos à dos :

Avec le commutateur d'entrée en position « haut » (connecté à V_cc ), il devrait être évident qu'il n'y aura pas de courant à travers la diode de direction gauche de Q₁ , car il n'y a pas de tension dans le commutateur-diode-R₁ -boucle de commutation pour motiver les électrons à circuler.

Cependant, il sera être en cours à travers la diode de direction droite de Q₁ , ainsi que via Q₂ la jonction diode base-émetteur et Q₄ Jonction diode base-émetteur :

Cela nous indique que dans le circuit de porte réel, les transistors Q₂ et Q₄ auront un courant de base, ce qui les activera pour conduire le courant du collecteur.

La tension totale a chuté entre la base de Q₁ (le nœud joignant les deux diodes de direction dos à dos) et la masse seront d'environ 2,1 volts, égaux aux chutes de tension combinées de trois jonctions PN :la diode de direction droite, Q₂ la diode base-émetteur et Q₄ la diode base-émetteur.

Entrée faible

Maintenant, déplaçons le commutateur d'entrée en position « bas » et voyons ce qui se passe :

Si nous mesurions le courant dans ce circuit, nous trouverions que tous du courant passe par la diode de direction gauche de Q₁ et aucun de celui-ci à travers la diode de droite. Pourquoi est-ce? Il semble toujours qu'il existe un chemin complet pour le courant via Q₄ la diode, Q₂ 's diode, la diode de droite de la paire, et R₁ , alors pourquoi n'y aura-t-il pas de courant dans ce chemin ?

N'oubliez pas que les diodes à jonction PN sont des dispositifs très non linéaires :elles ne commencent même à conduire le courant que lorsque la tension directe appliquée à leurs bornes atteint une certaine quantité minimale, environ 0,7 volt pour le silicium et 0,3 volt pour le germanium. Et puis, lorsqu'ils commencent à conduire le courant, ils ne chuteront pas sensiblement à plus de 0,7 volt.

Lorsque l'interrupteur de ce circuit est en position « bas », la diode gauche de la paire de diodes de direction est entièrement conductrice, et elle chute donc d'environ 0,7 volt et pas plus.

Rappelons qu'avec l'interrupteur en position "haute" (transistors Q₂ et Q₄ conductrice), il y avait une chute d'environ 2,1 volts entre ces deux mêmes points (Q₁ la base et le sol), qui se trouve également être le minimum tension nécessaire pour polariser en direct trois jonctions PN en silicium connectées en série dans un état de conduction.

Les 0,7 volts fournis par la chute de tension directe de la diode de gauche sont tout simplement insuffisants pour permettre un flux d'électrons à travers la chaîne en série de la diode de droite, Q₂ la diode, et le R₃ //Q₄ sous-circuit parallèle à diode, et donc aucun électron ne circule dans ce chemin. Sans courant dans les bases de l'un ou l'autre des transistors Q₂ ou Q₄ , ni l'un ni l'autre ne pourra conduire le courant de collecteur :transistors Q₂ et Q₄ seront tous les deux dans un état de coupure.

Par conséquent, cette configuration de circuit permet une commutation à 100 % de Q₂ courant de base (et donc contrôle sur le reste du circuit de porte, y compris la tension à la sortie) par dérivation du courant à travers la diode de direction gauche.

Dans le cas de notre exemple de circuit de porte, l'entrée est maintenue "haute" par le commutateur (connecté à V_cc ), rendant la diode de direction gauche (la tension nulle est tombée à travers elle). Cependant, la diode de direction droite conduit le courant à travers la base de Q₂ , à travers la résistance R₁ :

Avec courant de base fourni, transistor Q₂ sera activé. Plus précisément, il sera saturé en raison du courant plus qu'adéquate autorisé par R₁ à travers le socle. Avec Q₂ saturé, résistance R₃ va baisser suffisamment de tension pour polariser en direct la jonction base-émetteur du transistor Q₄ , le saturant ainsi :

Avec Q₄ saturée, la borne de sortie sera presque directement court-circuitée à la terre, laissant la borne de sortie à une tension (par rapport à la terre) de près de 0 volt, ou à un niveau logique binaire « 0 » (« bas »). En raison de la présence de la diode D₂ , il n'y aura pas assez de tension entre la base de Q₃ et son émetteur pour l'allumer, pour qu'il reste en coupure.

Analyse à faible entrée/sortie

Voyons maintenant ce qui se passe si l'on inverse le niveau logique de l'entrée à un « 0 » binaire en actionnant le commutateur d'entrée :

Maintenant, il y aura du courant à travers la diode de direction gauche de Q₁ et pas de courant dans la diode de direction droite. Cela élimine le courant à travers la base de Q₂ , l'éteignant ainsi.

Avec Q₂ off, il n'y a plus de chemin pour Q₄ courant de base, donc Q₄ passe également en coupure. Q₃ , d'autre part, a maintenant une chute de tension suffisante entre sa base et la terre pour polariser en direct sa jonction base-émetteur et la saturer, augmentant ainsi la tension aux bornes de sortie à un état « élevé ».

En réalité, la tension de sortie sera quelque part autour de 4 volts en fonction du degré de saturation et de tout courant de charge, mais toujours suffisamment élevée pour être considérée comme un niveau logique « élevé » (1). Avec cela, notre simulation du circuit onduleur est complète :un « 1 » en entrée donne un « 0 » en sortie, et vice versa.

Observations de circuits

L'observateur astucieux notera que l'entrée de ce circuit inverseur assumera un état « haut » si elle est laissée flottante (non connectée à V_cc ou au sol). Avec la borne d'entrée non connectée, il n'y aura pas de courant à travers la diode de direction gauche de Q₁ , laissant tout R₁ est en cours pour passer par Q₂ la base, saturant ainsi Q₂ et amener la sortie du circuit à un état « bas » :

Logique transistor à transistor (TTL)

La tendance pour un tel circuit à assumer un état d'entrée élevé s'il est laissé flottant est partagée par tous les circuits de porte basés sur ce type de conception, connue sous le nom de T ransistor-to-T ransistor L logique, ou TTL . Cette caractéristique peut être mise à profit pour simplifier la conception de la sortie d'un portail circuits, sachant que les sorties des portes pilotent généralement les entrées des autres portes.

Si l'entrée d'un circuit de porte TTL prend un état haut lorsqu'elle est flottante, alors la sortie de toute porte pilotant une entrée TTL n'a besoin que de fournir un chemin vers la terre pour un état bas et d'être flottante pour un état haut. Ce concept peut nécessiter une élaboration plus approfondie pour une compréhension complète, je vais donc l'explorer en détail ici.

Courants d'approvisionnement et d'absorption

Courants d'approvisionnement

Un circuit de porte comme nous venons d'analyser a la capacité de gérer le courant de sortie dans deux directions :entrée et sortie. Techniquement, cela s'appelle sourcing et naufrage courant, respectivement. Lorsque la sortie de la porte est élevée, il y a continuité de la borne de sortie à V_cc via le transistor de sortie supérieur (Q₃ ), permettant aux électrons de circuler de la terre, à travers une charge, dans la borne de sortie de la porte, à travers l'émetteur de Q₃ , et éventuellement jusqu'au V_cc borne d'alimentation (côté positif de l'alimentation CC) :

Pour simplifier ce concept, nous pouvons montrer la sortie d'un circuit de porte comme étant un commutateur à double direction, capable de connecter la borne de sortie soit à V_cc ou au sol, selon son état. Pour une porte délivrant un niveau logique « haut », la combinaison de Q₃ saturé et Q₄ la coupure est analogue à un interrupteur à double jet dans le "V_cc ", fournissant un chemin pour le courant à travers une charge mise à la terre :

Veuillez noter que ce commutateur à deux positions indiqué à l'intérieur du symbole de la porte est représentatif des transistors Q₃ et Q₄ en connectant alternativement la borne de sortie à V_cc ou au sol, pas de l'interrupteur montré précédemment envoyant un signal d'entrée à la porte !

Courants descendants

Inversement, lorsqu'un circuit de porte délivre un niveau logique « bas » à une charge, cela est analogue à l'interrupteur à double direction placé dans la position « terre ». Le courant ira alors dans l'autre sens si la résistance de charge se connecte à V_cc :depuis le sol, via l'émetteur de Q₄ , sur la borne de sortie, à travers la résistance de charge, et retour à V_cc . Dans cette condition, on dit que la porte est en train de couler actuel :

Exigences pour le fonctionnement TTL

La combinaison de Q₃ et Q₄ fonctionnant comme une paire de transistors « push-pull » (autrement appelée sortie totem pole ) a la capacité soit de générer du courant (d'absorber du courant à V_cc ) ou du courant absorbé (courant de sortie de la terre) vers une charge. Cependant, une entrée de porte TTL standard n'a jamais besoin de courant pour être source, seulement coulé. Autrement dit, étant donné qu'une entrée de porte TTL suppose naturellement un état haut si elle reste flottante, toute sortie de porte entraînant une entrée TTL n'a besoin que de recevoir du courant pour fournir une entrée « 0 » ou « bas », et n'a pas besoin de source de courant pour fournir un « 1 » ou un niveau logique « haut » en entrée de la porte réceptrice :

Sortie à collecteur ouvert

Cela signifie que nous avons la possibilité de simplifier l'étage de sortie d'un circuit de porte afin d'éliminer Q₃ tout à fait. Le résultat est connu sous le nom de sortie à collecteur ouvert :

Pour désigner des circuits de sortie à collecteur ouvert dans un symbole de porte standard, un marqueur spécial est utilisé. Voici le symbole d'une porte inverseuse avec sortie à collecteur ouvert :

Veuillez garder à l'esprit que la condition par défaut « élevée » d'une entrée de grille flottante n'est vraie que pour les circuits TTL, et pas nécessairement pour les autres types, en particulier pour les portes logiques constituées de transistors à effet de champ.

Révision

• Une porte inverseur, ou NON, est une porte qui produit l'état opposé à celui de l'entrée. C'est-à-dire qu'une entrée « faible » (0) donne une sortie « élevée » (1), et vice versa.
• Les circuits de porte constitués de résistances, de diodes et de transistors bipolaires, comme illustré dans cette section, sont appelés TTL . TTL est l'acronyme de Transistor-to-Transistor Logic . Il existe d'autres méthodologies de conception utilisées dans les circuits de grille, certaines utilisant des transistors à effet de champ plutôt que des transistors bipolaires.
• Une porte est dite sourcing courant lorsqu'il fournit un chemin pour le courant entre la borne de sortie et le côté positif de l'alimentation CC (V_cc ). En d'autres termes, il connecte la borne de sortie à la source d'alimentation (+V).
• On dit qu'une porte est en train de couler courant lorsqu'il fournit un chemin pour le courant entre la borne de sortie et la terre. En d'autres termes, il met à la terre (enfonce) la borne de sortie.
• Circuits de portail avec totem poteau les étages de sortie peuvent à la fois sourcer et évier courant. Circuits de portes avec collecteur ouvert les étages de sortie ne peuvent absorber que du courant et non fournir du courant. Les portes à collecteur ouvert sont pratiques lorsqu'elles sont utilisées pour piloter des entrées de porte TTL, car les entrées TTL ne nécessitent pas de source de courant.

Feuilles de travail associées

• Feuille de travail des portes logiques TTL

• Feuille de travail de base sur les portes logiques