Projetando uma porta e usando transistores

Como muitos de nós sabemos, um Circuito Integrado ou IC é uma combinação de muitos pequenos circuitos em um pequeno pacote que juntos realizam uma tarefa comum. Como um amplificador operacional ou 555 Timer, o IC é construído pela combinação de muitos transistores, flip-flops, portas lógicas e outros circuitos digitais combinacionais. Da mesma forma, um flip-flop pode ser construído usando uma combinação de portas lógicas e as portas lógicas em si podem ser construídas usando alguns transistores.

Logic Gates são a base de muitos circuitos eletrônicos digitais. De flip-flops básicos a microcontroladores As portas lógicas formam o princípio subjacente sobre como os bits são armazenados e processados. Eles estabelecem a relação entre cada entrada e saída de um sistema usando uma lógica artmética. Existem muitos tipos diferentes de portas lógicas e cada uma delas tem uma lógica diferente que pode ser usada para finalidades diferentes. Mas o foco deste artigo será na porta AND porque mais tarde estaríamos construindo uma porta AND usando um circuito de transistor BJT. Emocionante certo? Vamos começar.

AND Logic Gate

A porta lógica AND é uma porta lógica em forma de D com duas entradas e uma única saída, onde a forma D entre a entrada e a saída é o circuito lógico. A relação entre os valores de entrada e saída pode ser explicada usando a tabela AND Gate Truth mostrada abaixo.

A saída das equações pode ser facilmente explicada usando a equação booleana da porta AND, que é Q = A x B ou Q = AB. Conseqüentemente, para um AND Gate a saída é HIGH apenas quando ambas as entradas são HIGH.

Transistor

Um transistor é um dispositivo semicondutor com três terminais que pode ser conectado a um circuito externo. O dispositivo pode ser usado como uma chave e também como um amplificador para alterar os valores ou controlar a passagem de um sinal elétrico.

Para construir uma porta lógica AND usando um transistor, usaríamos transistores BJT, que podem ser classificados em dois tipos: PNP e NPN - Transistores de Junção Bipolar. O símbolo do circuito para cada um deles pode ser visto abaixo.

Este artigo irá explicar a você como construir um circuito AND Gate usando transistor. A lógica de uma porta AND já foi explicada acima e para construir uma porta AND usando um transistor seguiremos a mesma tabela verdade mostrada acima.

Diagrama de circuito e componentes necessários

A lista de componentes necessários para construir uma porta AND usando um transistor NPN são listados a seguir:

1. Dois transistores NPN. (Você também pode usar o transistor PNP, se disponível)
2. Dois resistores de 10KΩ e um resistor de 4-5KΩ.
3. Um LED (Light Emitting Diode) para verificar a saída.
4. Uma tábua de pão.
5. Fonte de alimentação A + 5V.
6. Dois botões PUSH.
7. Fios de conexão.

O circuito representa as entradas A e B para a porta AND e a Saída, Q que também tem uma alimentação de + 5V para o coletor do primeiro transistor que está conectado em série ao segundo transistor e um LED é conectado ao terminal emissor de o segundo transistor. As entradas A e B são conectadas ao terminal base do Transistor 1 e Transistor 2, respectivamente e a saída Q vai para o LED do terminal positivo. O diagrama abaixo representa o circuito explicado acima para construir uma porta AND usando Transistor NPN.

Os transistores usados ​​neste tutorial são BC547 NPN Transistor e foram adicionados com todos os componentes mencionados acima no circuito, como mostrado abaixo.

Se você não tiver os botões de pressão com você, também pode usar os fios como um interruptor, adicionando ou removendo-os sempre que necessário (em vez de pressionar o interruptor). O mesmo pode ser visto no vídeo onde eu usaria os fios como uma chave conectada ao terminal de base para ambos os transistores.

O mesmo circuito quando construído usando os componentes de hardware mencionados acima, o circuito se pareceria com a imagem abaixo.

Trabalho de And Gate usando Transistor

Aqui estaremos usando o transistor como uma chave e assim, quando uma tensão é aplicada através de um terminal Coletor do transistor NPN, a tensão atinge a Junção do Emissor somente quando a Junção da Base está tendo uma tensão de alimentação entre 0V e Tensão do Coletor.

Da mesma forma, o circuito acima faria o LED acender, ou seja, a saída é 1 (alta) apenas quando ambas as entradas são 1 (alta), ou seja, quando há uma alimentação de tensão no terminal base de ambos os transistores. Ou seja, haverá um caminho de corrente em linha reta do VCC (fonte de alimentação de + 5 V) para o LED e posteriormente para o solo. Resto em todos os casos, a saída será 0 (Baixa) e o LED ficará apagado. Tudo isso pode ser explicado com mais detalhes, entendendo cada caso, um por um.

Caso 1: quando ambas as entradas são zero - A = 0 e B = 0.

Quando ambas as entradas A e B são 0, você não precisa pressionar nenhum dos botões neste caso. Se você não estiver usando os botões, remova os fios conectados com os botões e o terminal de base de ambos os transistores. Portanto, obtivemos ambas as entradas A e B como 0 e agora precisamos verificar a saída, que também deve ser 0 de acordo com a tabela de verdade da porta AND.

Agora, quando uma tensão é fornecida através do terminal coletor do Transistor 1, o emissor não recebe nenhuma entrada porque o valor do terminal base é 0. Da mesma forma, o emissor do transistor 1 que está conectado ao coletor do Transistor 2, não fornece corrente ou tensão e também o valor do terminal base do transistor 2 é 0. Portanto, o emissor do ^2º transistor emite o valor 0 e, como resultado, o LED estaria DESLIGADO.

Caso 2: quando as entradas são - A = 0 e B = 1.

No segundo caso, quando as entradas são A = 0 e B = 1, o circuito tem a primeira entrada como 0 (Baixa) e a segunda entrada como 1 (Alta) para a base do transistor 1 e 2, respectivamente. Agora, quando uma alimentação de 5 V é passada para o coletor do primeiro transistor, não há mudança na mudança de fase do transistor, uma vez que o terminal base tem 0 de entrada. Que passa o valor 0 para o emissor e o emissor do primeiro transistor é conectado ao coletor do segundo transistor em série, então o valor 0 vai para o coletor do segundo transistor.

Agora, o segundo transistor tem um valor alto na base, então ele permitiria que o mesmo valor recebido no coletor passasse para o emissor. Mas como o valor é 0 no terminal coletor do segundo transistor, é por isso que o emissor também será 0 e o LED conectado ao emissor não acenderá.

Caso 3: quando as entradas são - A = 1 e B = 0.

Aqui, a entrada é 1 (alta) para a primeira base do transistor e baixa para a segunda base do transistor. Portanto, o caminho da corrente começará da fonte de alimentação de 5 V até o coletor do segundo transistor, passando pelo coletor e emissor do primeiro transistor, uma vez que o valor do terminal base é alto para o primeiro transistor.

Mas no segundo transistor, o valor do terminal base é 0 e, portanto, nenhuma corrente passa do coletor para o emissor do segundo transistor e, como resultado, o led ainda estaria apenas DESLIGADO.

Caso 4: quando ambas as entradas são uma - A = 1 & B = 1.

No último caso, e aqui ambas as entradas devem ser altas, as quais são conectadas aos terminais de base de ambos os transistores. Isso significa que sempre que uma corrente ou tensão passa pelo coletor de ambos os transistores, a base atinge sua saturação e o transistor conduz.

Explicando de forma prática, quando uma alimentação de + 5 V é fornecida ao terminal coletor do transistor 1 e também o terminal de base está saturado, o terminal emissor receberá uma saída alta, já que o transistor é polarizado diretamente. Esta alta saída no emissor vai diretamente para o coletor do ^2º transistor por meio de uma conexão em série. Agora, da mesma forma no segundo transistor, a entrada no coletor é alta e, neste caso, o terminal da base também é alto, significando que o segundo transistor também está em um estado saturado e a entrada alta passaria do coletor para o emissor. Esta saída alta no emissor vai para o LED que liga o LED.

Portanto, todos os quatro casos têm as mesmas entradas e saídas que a porta lógica AND real. Assim, construímos uma porta lógica AND usando um transistor. Espero que você tenha entendido o tutorial e gostado de aprender algo novo. O funcionamento completo da configuração pode ser encontrado no vídeo abaixo. Em nosso próximo tutorial, também aprenderemos como construir porta OR usando transistor e porta NÃO usando transistor. Se você tiver alguma dúvida, deixe-a na seção de comentários abaixo ou use nossos fóruns para outras questões técnicas.