PORTE LOGICHE A DIODI E TRANSISTOR

NE555   Tutorial su come Creare delle Porte Logiche per Piccole Applicazioni con solo Diodi, Transistor e Resistenze…

 

 

 
 




 

INTRO

Molte volte nella costruzione dei circuiti può essere necessaria una o più porte logiche, però non si ha a disposizione l’integrato che le contiene. Ad esempio può servire una porta logica OR quando si hanno 3 ingressi e si vuole usare un unico pin del microcontrollore.

Nella seguente guida verrà illustrato come realizzare una porta NOT con solo un transistor e due resistenze, come realizzare porte AND e OR con solo diodi e una resistenza e come creare le altre porte logiche dalla combinazioni delle precedenti, ovvero le NAND, NOR. Inoltre è possibile realizzare anche dei buffer e anche porte logiche molto complicate come la XOR e la XNOR.

Le porte logiche NOT, NOR e NAND così realizzate non degradano il segnale, mentre le AND e le OR degradano il segnale, ovvero in uscita non si avranno 0V come 0 logico e VCC come 1 logico ma si avrà una perdita dovuta alla caduta di tensione dei diodi (Vd) e in particolare si avrà 0V come segnale basso e VCC-Vd per la porta OR e Vd come segnale basso e VCC come segnale alto per la porta AND.

Ad esempio supponiamo segnali logici a 5V e diodi al silicio 1n4148 con caduta Vd=0.6V. si avranno quindi 0V-4.4V per i livelli logici della porta OR e 0.6V-5V come livelli della porta logica AND. Quindi nel caso si deve realizzare una funzione logica con porte OR e/o AND in cascata servono dei buffer.

La situazione si può migliorare usando dei diodi al Germanio vista la caduta di 0.2V o dei diodi Schottky vista la caduta di 0.35V.
 



 

PORTA LOGICA NOT e BUFFER

La porta logica NOT come detto in precedenza si realizza con un transistor e due resistenze, oppure con un mosfet e una resistenza. I due circuiti sono:

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Nel primo caso la resistenza R2 è la resistenza di polarizzazione della base del transistor mentre R1 e Q1 formano la porta logica. Quando in ingresso vi è una tensione logica alta tramite alla resistenza R2 scorre una corrente che va nella base e attiva il transistor. Il transistor è acceso quindi in uscita vi è una tensione bassa pari a GND. Quando in ingresso vi sono 0V il transistor è spento, in R1 non scorre corrente e quindi in uscita vi avrà una tensione pari a VCC.

Nel caso del mosfet il funzionamento è uguale solo che il mosfet funziona con polarizzazione in tensione e non in corrente, quindi non serve la resistenza di polarizzazione.

Per realizzare un Buffer invece basta mettere due delle porte appena viste in cascata, solo che nel caso del transistor non serve la seconda resistenza di polarizzazione. Si avrà:

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Non sono altro che due porte logiche NOT in cascata e nel primo caso la resistenza R4 forma la prima NOT e inoltre fa da resistenza di polarizzazione della seconda NOT. I buffer vanno usati per ripristinare i livelli logici quando si usano più porte logiche AND o OR. La velocità delle porte logiche così fatte è limitata ma arriva tranquillamente a frequenze dell’ordine del MHz. Ad esempio con un ingresso a 5MHz sulla porta logica NOT a transistor si avrà:

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Il ritardo è pari a 34.6nS e il fronte di salita è leggermente degradato. La potenza assorbita è molto elevata rispetto alle porte logiche CMOS, ad esempio lo schema visto prima ha una potenza pari a 16mW per un segnale con duty cycle del 50%. Se si lavora a frequenze basse (nell’ordine delle centinaia di KHz) si può aumentare di circa 10 volte il valore di R1 e R2 diminuendo la potenza di 10 volte.
 

PORTE LOGICHE OR E AND

La porta logica OR a diodi è così fatta:

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Quando uno dei due ingressi è a una tensione logica 1, che corrisponde ad una tensione di 5V allora in uscita vi sarà una tensione pari a 5-Vd ovvero 0.6v per il diodo 1n4148. Quando entrambi gli ingressi sono a 0 logico anche l’uscita viene mantenuta a GND dalla resistenza R9.

La porta logica AND invece è così fatta:

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Quando uno dei due ingressi è a livello logico basso, ovvero a GND il diodo è in conduzione e scarica a un valore pari alla caduta Vd il nodo d’uscita OUT. Solo quando Gli ingressi sono entrambi a VCC i diodi non conducono e quindi il nodo d’uscita può essere caricato a VCC tramite R10.

In entrambe le porte aumentando il numero di diodi si può aumentare il numero degli ingressi.

Nelle porte logiche OR e AND così fatte vi è un problema di perdita di tensione e in particolare lo 0 Logico della AND è pari a Vd invece di essere a 0V mentre l’1 logico della OR è pari a VCC-Vd invece che VCC. Supponiamo di usare 5V e che l’uscita delle porte logiche così fatte vanno in ingresso a un microcontrollore PIC18F252. Nel caso peggiore con 5V di alimentazione il microcontrollore riconosce un 1 logico se la tensione è superiore a 4V mentre riconosce lo 0 logico se inferiore ad 1V, quindi se si usa una singola porta OR o una AND non vi sono problemi nei livelli di tensione e addirittura si possono usare 2 porte logiche dello stesso tipo se si usano diodi Schottky e tre se si usano diodi al germanio.

Per quanto riguarda le prestazioni si avrà:

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Essendo i diodi 1n4148 diodi di segnale, sono molto veloci, quindi riescono a seguire molto bene l’andamento degli ingressi in uscita, senza ritardi visibili alla frequenza di 20 MHz come in figura. Come si può vedere la tensione logica 0 dell’uscita equivale a 581mV, circa 0.6V come detto in precedenza.

Per quanto riguarda la potenza essa dipende dalla resistenza (R9 o R10) usata. Con un valore di 4.7K si avrà una potenza di circa 2.5mW considerando una uscita con duty cycle del 50%. Si può ridurre di 10 volte la potenza aumentando di 10 volte R9 o R10, questo però pregiudicando leggermente la velocità.

Se si vogliono più di due ingressi basta semplicemente inserire più diodi.

 

PORTE LOGICHE NOR E NAND

Come detto in precedenza le porte NOR e NAND sono porte rispettivamente OR e AND con in serie all’uscita una porta logica NOT. I due circuiti sono così fatti:

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Il primo circuito forma la porta logica NOR e sono semplicemente una OR e una NOT in serie. Per quanto riguarda la NAND vi è una AND e e una NOT in cui la resistenza di polarizzazione è la resistenza di pull-up della porta logica AND.

Per quanto riguarda le prestazioni, essendo la porta NOT la più lenta nella serie, dipendono dalla porta NOT, quindi le caratteristiche sono quelle della NOT per quanto riguarda la velocità. La potenza assorbitra invece è data dalla somma della potenza delle due porte.

 

PORTE LOGICHE XOR E XNOR

Queste due porte sono complesse e si possono ottenere dall’unione delle porte viste in precedenza come illustrato nella figura sottostante:

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Per la XOR non si ha problemi di degradazione dei livelli dovuto alla serie perché essendoci una serie di OR e AND si degrada di Vd sia il livello logico alto che basso ma senza problemi ad esempio se l’uscita va all’ingresso di un microcontrollore PIC18F252. Per la XNOR non ci sono problemi vista la porta NOT prima dell’uscita.

 

DOWNLOAD

Potete scaricare la simulazione dei circuiti con MULTISIM14 al seguente LINK!!!



 

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PORTE LOGICHE A DIODI E TRANSISTOR ultima modifica: 2017-10-12T10:00:16+00:00 da ne555

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