Реализация логических элементов на транзисторах

Транзистор – полупроводниковое устройство, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим электродом. Не останавливаясь чересчур подробно на устройстве и принципе работы транзистора (что должно быть известно из школьного курса физики) продемонстрируем, каким образом на транзисторах можно выстроить логические элементы.

Рассмотрим рисунок транзистора. Транзистор – полупроводниковый прибор, имеющий три контакта: сток (коллектор), исток (эмиттер) и база (затвор). Подача напряжения на базу управляет током между коллектором и эмиттером: если на базу подать напряжение, транзистор открывается, ток от коллектора пойдет к эмиттеру. Если на базе нет напряжения, транзистор закрыт, ток не идет.

Рисунок 13. Транзистор.

Для простоты восприятия базу (затвор) транзистора можно представить как задвижку: когда на стоке есть заряд, а задвижка закрыта, заряд остается на стоке. Если приложить усилие и открыть задвижку (затвор), то заряд со стока уйдет на исток.

Рассмотрим, каким образом можно использовать транзистор, чтобы реализовать на нем те или иные логические элементы.

На коллектор транзистора подается некоторое напряжение (смотри). Эмиттер заземлен. В случае, если подать напряжение на базу (наличие напряжения можно рассматривать как логическую единицу), транзистор (в соответствии со своим устройством) откроется, и заряд с коллектора уйдет на эмиттер и далее, на землю. То есть подача напряжения (логической единицы) на базу приводит к отсутствию заряда (логический ноль) на коллекторе.

В случае, если на базу не подавать напряжения (логический ноль), транзистор (согласно своим рабочим свойствам) останется закрытым, заряд останется на коллекторе.

Рисунок 14. Реализация инвертора на транзисторе. Таблица истинности.

Таким образом, если рассматривать базу транзистора как вход, а к коллекторному входу присоединить выход, то изображенный транзистор реализует логическую функцию отрицание, иначе говоря – логический элемент НЕ. Обратите внимание: кружок на выходе означает инверсию сигнала.

Рисунок 15. Логический элемент НЕ.

Функция ИЛИ – функция минимум двух переменных. Для ее реализации требуется использовать два транзистора. Если два транзистора соединить, как показано на рисунке, то полученная схема будет работать следующим образом: при подаче напряжения (логической единицы ) на первую базу, ток будет уходить через первый транзистор; на выходе напряжения не будет (логический ноль). При подаче напряжения на вторую базу аналогично на выходе также будет ноль. Подача напряжения на обе базы (две логических единицы) аналогично приводят к нулю на выходе. Единственный вариант логической единицы на выходе – при логических нулях на обоих входах, когда оба транзистора закрыты.

Рисунок 16. Реализация логической функции двух переменных на транзисторах и ее таблица истинности.

Получившаяся функция согласно таблице истинности носит название ИЛИ-НЕ, иначе Стрелка Пирса. Чтобы получить намеченную функцию ИЛИ, надо выполнить инверсию результата (смотри)

Рисунок 17. Схема реализующая логическую функцию ИЛИ. Ее таблица истинности.

Условное обозначение логического элемента ИЛИ приведено на рисунке (смотри ).

Рисунок 18. Изображение логического элемента ИЛИ и ИЛИ-НЕ.

Задание: реализуйте на транзисторах функцию ИЛИ для 3х (4х и более) входов. Приведите таблицу истинности и обозначение логического элемента.

Для реализации функции И для двух переменных также надо использовать два транзистора для организации двух логических входов (смотри)

Рисунок 19. Реализация логической функции И и И-НЕ. Таблицы истинности.

Как видно из рисунка, транзисторы соединяются последовательно. Если подать напряжение только на один вход, цепочка транзисторов останется закрытой. Только в случае подачи напряжения одновременно на обе базы, транзисторы откроются, и на первом выходе будет логический ноль. Таким образом, на двух транзисторах реализуется функция И-НЕ, иначе Штрих Шеффера. Для реализации функции И добавляем инвертор (третий транзистор).

Рисунок 20. Логические элементы И и И-НЕ.

Условные обозначения логических элементов И и И-НЕ приведены на рисунке (смотри Рисунок 20).

Задание: реализуйте на транзисторах функцию И для 3х (4х и более) входов. Приведите таблицу истинности и обозначение логического элемента.

Таким образом, было наглядно продемонстрировано, что на транзисторах возможно реализовать любой логический элемент. Были реализованы основные базисы: базис ИЛИ-НЕ, базис И-НЕ, базис И, ИЛИ, НЕ. Как уже упоминалось, на любом из этих базисов возможно реализовать любую логическую функцию любой сложности.