در سلسله آموزش های مدارهای منطقی، قسمت هشتم به پیاده سازی گیت های منطقی به کمک ترانزیستورها می پردازیم. در این آموزش نحوه پیاده سازی گیت های منطقی به کمک ترازنیستورها را خواهیم آموخت. به طور کلی، ترازیستور هسته اصلی بسیاری از قطعات دیجیتال را تشکیل می دهند. در کنار این، هسته اصلی پردازنده ها، مانند میکروکنترلرهای ARM و یا AVR را ترانزیستورها تشکیل می دهند. در این آموزش به چگونگی پیاده سازی گیت NOT به عنوان گیت پایه و گیت های AND و OR بر پایه ترانزیستورها، خواهیم پرداخت. در ادامه این آموزش با مرجع تخصصی الکترونیک به زبان فارسی، دیجی اسپارک همراه باشید.
ترانزیستور تعریف و کاربرد
پیش از آنکه بحث را ادامه دهیم، لازم است تا کمی در رابطه با ترانزیستور و مفهوم آن بدانیم. پیشتر در این رابطه در آموزشی که با کلیک بر روی این لینک قابل دسترسی است، به طور کامل راجع به این قطعه کاربردی صحبت کرده ایم. در این قسمت نیز به طور خلاصه به این قطعه می پردازیم. ابتدا به تصویر زیر ، دقت کنید.
مطابق تصویر فوق، ترانزیستور دارای ۳ پایه بیس، امیتر و کلکتور است. با اعمال ولتاژ به پایه بیس، جریان از کلکتور به سمت امیتر جاری شده و LED روشن می گردد. تا زمانیکه به بیس ولتاژی اعمال نکنیم، ولتاژ کلکتور-امیتر ۵ است. اما زمانی که به بیس ولتاژ اعمال شود، کلکتور به امیتر اتصال داده و ولتاژ کلکتور-امیتر صفر خواهد شد. این ویژگی بسیار مهم را در نظر داشته باشید؛ در قسمت بعدی بسیار کار آمد خواهد بود.
پیاده سازی گیت NOT با ترانزیستور
گیت NOT یکی از پایه ای ترین گیت های منطقی به شمار می رود. این گیت در ساختار اصلی بسیاری از پردازنده ها کاربرد دارد. در آموزش های پیشین در رابطه با این گیت و عملکرد آن، صحبت کردیم. همانطور که اطلاع دارید، این گیت ورودی را معکوس کرده و در خروجی قرار می دهد. به عنوان مثال، با قرار گیری یک در ورودی، صفر در خروجی دریافت خواهیم نمود. به طور مشابه، با قرار دادن صفر در ورودی این گیت، خروجی یک مشاهده خواهیم نمود. به تصویر زیر دقت کنید.
مطابق تصویر فوق، ورودی گیت NOT پایه بیس ترانزیستور و خروجی آن پایه OUT ترانزیستور است. زمانیکه به پایه بیس یک منطقی(۵ ولت) اعمال می کنید، اتصال بین کلکتور و امیرت برقرار می شود. به همین ترتیب، ولتاژ قرار گرفته در خروجی صفر شده و خروجی صفر منطقی می شود. به طور مشابه، در صورتیکه به ورودی یا همان بیس ولتاژ ۰ اعمال کنید(اتصال به زمین مدار)، خروجی یک منطقی شده و ولتاژ ۵ روی کلکتور نسبت به امیتر(ولتاژ کلکتور-امیتر) مشاهده خواهد شد. به تصویر زیر دقت کنید.
مطابق تصویر فوق، زمانیکه به پایه بیس ۵ ولت اعمال کنیم، ترانزیستور روشن شده و پایه کلکتور به امیتر متصل می شود. در این حالت از آنجاییکه امیتر هم به GND متصل است، لذا کلکتور هم به زمین متصل شده و ولتاژ کلکتور صفر می شود. در این حالت LED نیز خاموش خواهد شد. در حالت دیگر، زمانیکه ولتاژ ۰ به بیس اعمال می شود، ترانزیستور خاموش می شود. در این حالت دیگر اتصالی بین کلکتور و امیتر متصل به زمین برقرار نمی شود؛ در این حالت ولتاژ کلکتور برابر با ۵ (به اتصال پایه کلکتور به ۵ ولت و مقاومت دقت کنید) خواهد شد. بدین ترتیب LED روشن می شود.
پیاده سازی گیت AND با ترانزیستور
پس از بررسی گیت NOT و پیاده سازی آن به کمک ترانزیستور، نوبت به پیاده سازی گیت AND به کمک ترانزیستور می رسد. ابتدا به تصویر زیر که پیاده سازی این گیت به کمک ترانزیستور را نمایش می دهد، دقت کنید.
در تصویر فوق، به محل out دقت کنید. مطابق تعریف گیت AND، خروجی زمانی یک خواهد شد که هر دو ورودی یک باشند. در تصویر فوق، زمانی پایه OUT دارای ولتاژ خواهد شد که هر دو ترانزیستور روشن باشند؛ به عبارت دیگر هر دو ترانزیستور در ورودی مقدار یک منطقی دریافت کنند؛ در این حالت جریان از دو ترانزیستور جاری شده و ولتاژ بین OUT و GND ایجاد خواهد شد. بدین ترتیب خروجی زمانی یک خواهد شد که ورودی هر دو ترانزیستور یک باشد.
چنانچه موضوع را همچنان گنگ می دانید، با ترانزیستور بالایی دقت کنید. این ترانزیستور زمانی روشن خواهد شد که ورودی آن دارای ولتاژ ۵ باشد. در این حالت این ترانزیستور روشن شده و جریان از کلکتور به سمت امیتر جاری می شود. در این حالت ولتاژ امیتر این ترانزیستور ۵ است. پس از این مرحله، نوبت به ترانزیستور دوم می رسد. در این ترانزیستور، زمانی که ولتاژ اعمال شده به پایه بیس آن ۵ ولت (یک منطقی) باشد، این ترانزیستور روشن شده و اجار عبور ولتاژ ۵ را می دهد. در این حالت پایه OUT دارای ولتاژ شده و خروجی ۱ منطقی می شود. به تصویر زیر دقت کنید.
مطابق تصویر فوق، لامپ زمانی روشن خواهد شد که هر دو کلید بسته باشند. این عمل دقیقا در ترانزیستورها اتفاق می افتد. زمانی که هر دو ترانزیستور روشن باشند خروجی ۵ ولت یا یک منطقی دریافت خواهیم کرد. این دو کلید دقیقا نقش ترانزیستورها را بازی می کنند.
پیاده سازی گیت OR با ترانزیستور
پس از بررسی پیاده سازی گیت های NOT و AND به کمک ترانزیستور، در این قسمت به بررسی پیاده سازی گیت OR به کمک ترانزیستورها می پردازیم. در ابتدا مطابق روال های پیشین، به تصویر زیر که پیاده سازی این گیت با ترانزیستور را نمایش می دهد، دقت کنید.
مطابق تصویر فوق، خروجی زمانی یک خواهد شد که دست کم یکی از ترانزیستورها روشن باشد. در این حالت دو ترانزیستور همانند دو کلید، موازی یکدیگر قرار گرفته اند. در این حالت اگر یکی از کلیدها متصل شود، لامپ روشن خواهد شد. به تصویر زیر دقت کنید.
مطابق تصویر فوق، دو کلید با یکدیگر موازی شده اند. در این حالت، در صورتیکه دست کم یکی از کلیدها بسته شود، جریان جاری شده و لامپ روشن خواهد شد.
لوازم
جمع بندی
در این آموزش به طراحی و پیاده سازی گیت های منطقی به کمک ترانزیستورها پرداختیم. همانطور که در این آموزش گفته شد، پایه و اساس گیت های منطقی بر پایه ترانزیستورها شکل می گیرد. در این آموزش به تحلیل و بررسی گیت های منطقی NOT، AND و OR بر پایه ترانزیستور ها پرداختیم. پیاده سازی گیت های منطقی بر پایه ترانزیستور شاخه ای از علم الکترونیک به نام الکترونیک دیجیتال بوده که مباحث عمیق و گسترده ای دارد. در این آموزش به پیاده سازی گیت های منطقی پایه با روش های ساده، اقدام نمودیم.
چنانچه مطالب این آموزش را گنک یافتید، بدون هیچ نگرانی در انتهای همین پست، به صورت ثبت نظر سوالتان را مطرح کنید. من در سریع‌ترین زمان ممکن پاسخ رفع مشکل شما را خواهم داد. همچنین اگر ایرادی در مطالب درج شده وجود دارد می‌توانید از همین طریق اطلاع رسانی کنید.
