ELEMENTY LOGICZNE
DIODA - jest to dwuelektrodowy przyrząd elektronowy o niesymetrycznej charakterystyce rądodowo napięciowej na ogół łatwo przewodzący prąd elektryczny w jednym kierunku a w niewielkim stopniu w kierunku przeciwnym. Obecnie są to elementy półprzewodnikowe ; kiedyś były to lampy
Działanie diody opiera się na wykorzystaniu zjawisk zachodzących w półprzewodniku najczęściej w obszarze złącza p-n lub złącz prostującego m-s .
TRANZYSTOR - to przyrząd półprzewodnikowy trójelektrodowy , umożliwiający wzmocnienie mocy sygnałów elektrycznych . Stanowi element czynny układów elektronicznych , pełni funkcji wzmacniacza , przełącznika , detektora , itp. Tranzystory dzielą się na bipolarne unipolarne . Bipolarny może być typu N lub P . Bipolarny typu N ma warstwy n-p-n , typu P ma warstwy
p-n-p .
Elektrody to :
EMITER - ma za zadanie dostarczenie mniejszościowych ładunków do bazy .
BAZA - stanowi warstwę wspólną tak zwaną podstawę .
KOLEKTOR - ma za zadanie zbierać nośniki wstrzykiwane przez emiter do bazy .
Działanie tranzystora bipolarnego zależy od zjawisk związanych z ruchem obu rodzajów nośników ładunku to znaczy elektronów i dziur . Podczas normalnej pracy tranzystora jego elektrody są połączone z zewnętrznymi zródłami prądu stałego w taki sposób , że złącze E-B jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia , a złącze B-C w kierunku przeciwnym tak zwanym zaporowym lub wstecznym . Strumień nośników wstrzykiwanych z emitera do bazy stanowi prąd emitera , a strumień nośników odbieranych przez kolektor z bazy stanowi prąd kolektora , przy czym prąd kolektora zależy od napięcia polaryzującego złącze emiter - baza , a nie zależy od napięcia wywołanego polaryzacją złącza baza - kolektor . Stosunek wartości obu prąd .
a = IC / IE
stanowi podstawowy parametr charakteryzujący tranzystory bipolarne tak
zwany współczynnik wzmocnienia prądowego .
Tranzystor typu N Tranzystor typu P
Tranzystor unipolarny inaczej zwany polowym .
Obszary stanowiące elektrody noszą nazwy : zródło S , bramka G , dren D .
Istota działania tranzystora unipolarnego polega na sterowaniu prądem płynącym miedzy dwiema elektrodami ; zródłem i drenem w obszarze zwanym kanałem , za pomocą zmian potencjału przyłożonego do trzeciej elektrody - bramki . Prąd ten jest nośnikiem jednego rodzaju nośników większościowych dostarczanych przez zródło i odbieranych przez dren .
Tranzystor unipolarny Tranzystor unipolarny
o złączu typu c typu MOS
Potencjał jest to wielkość pomocnicza służąca do opisu wektorowego pola potencjalnego np. pola grawitacji , pola elektrostatycznego .Można go traktować
Jako pewnego rodzaju punkt odniesienia , może on służyć do jednoznacznego opisu pola . Np. jeżeli byśmy rozważali prędkość przyciągania ziemskiego to
V = GxM/h gdzie
G stała grawitacji
M masa wytwarzająca pole grawitacji
h odległość rozpatrywanego punktu od środka ciężkości masy M
Potencjał w rozważnym punkcie pola definiuje się jako całkę krzywoliniową z wektora pola grawitacyjnego czy np. pola elektrostatycznego . Potencjał może być dyfuzyjny ( na granicy zetknięcia się dwu roztworów ) , potencjał jonizacji to stosunek energii potrzebnej do oderwania określonego elektronu z atomu .
Oporniki najlepiej dobrać o dużej różnicy oporów wtedy lepiej można zaobserwować różnicę w badanym układzie .
Elementy alternatywy ( OR - sumy logicznej ) i koniunkcji (AND - iloczynu logicznego ) realizuje się przez budowę diodowych elementów . W elementach sumy logicznej jeżeli na któreś z wejść podane zostanie napięcie ujemne (sygnał 1) to napięcie to pojawi się również na wyjściu , gdyż odpowiednia dioda przewodzi i zawiera „Y” z tym wyjściem . Tylko gdy na wszystkie trzy wyjścia podany jest sygnał „ 0 „ to na wyjściu też jest sygnał „ 0” . Przy projektowaniu układów z elementów diodowych trzeba uwzględnić szereg ograniczeń , spowodowanych spadkiem napięcia na diodach przewodzących i nie przewodzących . Dlatego rezystor w elemencie alternatywy niekiedy podłącza się do napięcia dodatniego . Liczba wejść elementów diodowych może sięgać dziesięciu , a obciążalność od 2 do 5 - ciu .
Elementy koniunkcji (AND- iloczynu logicznego) jeżeli na któreś z wejść podamy sygnał „0 „ to na wyjściu jest również sygnał 0 , gdyż odpowiednia dioda przewodzi i zwiera punkt „ Y „ z tym wejściem . Tylko w przypadku gdy na wszystkie trzy wejścia podany jest sygnał „ 1” to na wyjściu jest również „ 1” .
Element negacji realizowany jest w postaci tak zwanego negatora tranzystorowego . Przy podaniu na wejściu x sygnału „0” baza tranzystora pozostaje spolaryzowana dodatnio względem emitera i tranzystor nie przewodzi.
Napięcie na wyjściu Y jest wtedy równe 1 .Podanie na wyjściu 1 powoduje stan nasycenia tranzystora , kolektor jest wtedy praktycznie zwarty z emiterem i napięcie wyjściowe jest równe 0 . Zwykle wymaga się aby element logiczny mógł wysterować co najmniej od 3 do 5 innych elementów .Wstępna polaryzacja bazy i dzielnik wejściowy są ta dobierane , że tranzystor nasyca się przy napięciach wejściowych rzędu 50 % napięcia zasilającego . Dzięki temu można dopuścić duże tolerancje sygnałów 1i 0 ,niezbędne ze względu na wpływ rezystancji obciążenia na sygnały wyjściowe układów . Rezystancja ta zaznaczona jest przerywaną linią powoduje zmniejszenie napięcia wyjściowego w stosunku do napięcia zasilającego .
Elementy NOR i NAND Przez szeregowe połączenie elementów alternatywy koniunkcji z negatorem tranzystorowym otrzymuje się odpowiednio elementy NOR lub NAND czyli negacji sumy logicznej i negacji iloczynu logicznego . A więc elementy NOR NAND realizowane są poprzez elementy diodowo - tranzystorowe oznaczone często skrótami DTL czyli Dioda-transistor Logic . Wzmacniające działanie tranzystorów łagodzi ograniczenia dotyczące obciążalności i struktury pomiędzy elementami . Dodanie kondensatora ma na celu zwiększenie szybkości działania elementu . Wiele systemów bazuje na elemencie NOR z wejściami oporowymi .
Ćwiczenie jest realizowane na podstawowych funktorach sumy logicznej , iloczynu logicznego i negacji . Negacja sumy logicznej jest zwana NOR , a negacja iloczynu logicznego jest zwany NAND .Ćwiczenie będzie realizowane dzięki diodom półprzewodnikowym rezystorom . A elementy negacji realizować będziemy za pomocą tranzystorów i rezystorów szeregowo połączonych z diodami półprzewodnikowymi . Realizując pomiary musimy wiedzieć o tym , że sygnały wejściowe będą się trochę różniły od sygnałów wyjściowych ponieważ diody nie są urządzeniami idealnymi . Przy polaryzacji w kierunku przewodzenia realizując funkcje sumy logicznej czyli w stanie 1 diody wykazują spadek napięcia wynikający ze zjawisk fizycznych zachodzących złączu pn .
Dlatego 1 na wyjściu jest nieco mniejsza niż jedynka na wejściu . Stan 0 powinien być taki sam wyjściu i na wejściu , a różnice mogą wynikać tylko z błędu woltomierza , który nie zeruje się . Aby można było bezpieczne posługiwać się bramką OR napięcie zasilające musi być wiele razy większe od spadku napięcia na diodzie w kierunku przewodzenia . Układ realizujący iloczyn logiczny jest również zbudowany z diod . Po przepuszczeniu sygnału 1 sygnał jest wyrazny , natomiast 0 na wyjściu nie ma wartości 0 [V] . W stanie 0 logicznego na wyjściu woltomierz mierzy spadek napięcia na spolaryzowanych w kierunku przewodzenia diodach . Wartość zastosowanego w układzie powoduje prąd w układzie wystarczający do tego aby na diodach wystąpił zauważalny spadek napięcia . Obniżenie wartości napięcia dla 0 na wyjściu można uzyskać stosując rezystor o większej wartości . Dla funktora AND sygnał wyjściowy ma wartość logiczną 1 tylko wówczas , gdy obydwa sygnały wejściowe przyjmują wartość 1 . Zgodność zależności napięciowych z zależnością logiczną , dowodzi algebra Boola , że badany układ realizuje element logiczny .Dla układów NOR NAND nie można stosować dowolnej liczby wejść . Jest to związane z tym ,że jak potwierdziły nasze badania stan 0 logicznego nie odpowiada dokładnie 0 [V] napięcia . Szczególnie jest to widoczne dla funktora NOR . Do elementów mających wpływ na działanie negatora należą rezystory RARBRC . Wartości tych rezystorów mają wpływ na charakterystykę przejściową układu . Zwiększenie wartości rezystora RA powoduje zmniejszenie wysterowania tranzystora i przesunięcie punktu przełączenia w kierunku większych wartości napięcia UA . Zwiększenie wartości rezystora RB powoduje zwiększenie wysterowania tranzystora i przesunięcie progu przełączenia w kierunku mniejszych wartości napięcia UA ,
Zaś zmniejszenie powoduje zmianę kąta nachylenia charakterystyki co jest zjawiskiem nie korzystnym . Zwiększenie wartości rezystora RC powoduje zmniejszenie napięcia na wyjściu , co na pewno jest niebezpieczne przy stanie logicznej 1 . Zwiększenie wartości tego rezystora powoduje zmniejszenie obciążalności bramki . Zmiana stanu logicznego nastąpi nie przy raptownym skoku jak przy założeniu dla elementu idealnego , a przy powolnym spadku napięcia i to przy dolnej wartości bliskiej zeru . Funktor NOR osiągnie wartość logiczną 1 tylko wówczas gdy na wejściach naszego układu będą wartości 0 logiczne . W pozostałych przypadkach wartość logiczna będzie równa zero .
Jest to zgodne z algebrą Bool'a . W ćwiczeniach wartość logiczna równa 0 odpowiada zgodnie z konwencja zerowej wartości napięcia które jest zazwyczaj nośnikiem informacji , a wartość napięcia o innym poziomie przyjmuje logicznej 1 .
PRZEBIEG ĆWICZENIA
1.Realizacja diodowa sumy logicznej - funktor OR.
Połączyliśmy układ wg schematu w punkcie 1.1 instrukcji , następnie dokonaliśmy pomiarów które umieściliśmy w tabelach poniżej ;
Tab. 1
Tab. 2
W układzie badamy funktor OR , gdzie X = A*B , jako sygnał 0 podajemy napięcie zerowe , jako 1 napięcie ujemne .
Tab. 3
W elemencie alternatywy , jeżeli na któreś z wejść podane zostanie napięcie ujemne sygnał 1 , to napięcie pojawia się również na wyjściu . Odpowiednia dioda przewodzi i na wyjściu mamy 1. 0 na wyjściu otrzymamy tylko w przypadku , kiedy na oba wejścia podamy sygnał 0 .
Z zestawienia wyników z tab.2 wynika , ze dla mniejszego opornika napięcie na wyjściu jest znacznie mniejsze niż na wejściu . Należało by unikać takich różnic. W tym celu należy używać większego opornika wtedy napięcie na wyjściu będzie zbliżone do wejściowego .
Dla trzeciego pomiaru , kiedy na wejściu A mamy logiczną 1 i na wejściu B mamy logiczne 0 otrzymaliśmy mniejsze napięcia na wyjściu niż w pozostałych przypadkach .Przyczyną tego może być fakt , że diody są niejednakowe.
2.Realizacja diodowa iloczynu logicznego - funktor AND.
Połączyliśmy układ wg schematu 1.2 , a następnie umieściliśmy pomiary w poniższych tabelach;
Tab.4
Tab.5
Tab.6
W elemencie koniunkcji , jeżeli na któreś z wejść podany zostanie sygnał 0 czyli w naszym przypadku napięcie zerowe ,to na wyjściu otrzymamy również 0.Tylko w przypadku , gdy na oba wejścia podaliśmy sygnał 1 , na wyjściu również otrzymaliśmy 1 .
Podobnie jak dla funktora OR wraz ze wzrostem rezystancji zmniejsza się różnica napięć.