NOT Geçidi

NOT Geçidi
Daha önce değinilen tek-transistörlü evirici devresinin gerçekte geçit gibi pratik kullanımının olması
çok ilkeldir. Gerçek evirici devreler gerilim kazancını maksimize etmek için birden fazla transistör
içerir Gerçek evirici devreleri gerilim kazancını maksimize etmek için birden fazla transistör içerir
(nihai çıkış transistörünün tamamen kesme yada tamamen doygun olmasını sağlamak amacıyla) ve
diğer bileşenler tesadüfi zarar şansını azaltmak için dizayn edilmiştir.
Aşağıdaki, verimli ve güvenilir bir işlem için gerekli tüm bileşenleri tanımlanmış gerçek evirici
devresinin bir şematik çizimidir:
Bu devre sadece dirençler ve iki kutuplu transistörlerden oluşturulmuştur. İki kutuplu yerine alanetkili transistörlerin geçtiği dizaynları içeren diğer devre dizaynlarının NOT geçit fonksiyonunu
yapmaya yetenekli olduğunu unutmamak gerekir (bu bölüm daha sonra tartışılacaktır).
Bu devreyi girişin "yüksek" yada ikili "1" durumunda olduğu koşulda analiz edelim. Bunu bir
anahtar üzerinden Vcc ye bağlanmış giriş terminalini göstererek taklit edebiliriz:
Bu durumda, D1 diyotu ters-eğilimli olacaktır ve bu nedenle herhangi bir akım iletmeyecektir.
Aslında, devrede D1 olmasının amacı sadece, girişten negatif gerilim uygulandığı durumda
transistör bozulmasını önlemektir. (gerilim toprağa göre pozitiften ziyade negatiftir). Q1
transistörünün taban ve yayıcı arasında gerilim yok iken aynı zamanda akın geçmemesini de
bekleriz. Fakat, ne kadar garip görünse de, Q1 transistörü alışıldık bir transistör gibi kullanılmaz.
Gerçekte devrede kullanılan Q1 sırt sırta diyot çiftinden başka bir şey değildir. Aşağıdaki şema Q1 in
gerçek fonksiyonunu göstermektedir:
Bu diyotların amacı Q2 transistörünün tabanına doğru yada tabanından uzağa doğru girişin mantık
seviyesine bağlı olarak akımı "yönetmek" tir. Bu diyotların akımı nasıl "yönet" ebildiği ilk
incelemede tam olarak açık değildir bu nedenle kısa bir örnek anlamak için gerekli olabilir.
Aşağıdaki Q2 ve Q4 transistörlerinin tek diyot şeklinde referans-yayıcılı kavşaklarını temsil ettiği, sırt
sırta iki diyot üzerinden akım "yönetimi" ne konsantre olabilelim diye devrenin tüm diğer parçalarını
çıkartıldığı, diyot/direnç devresine sahip olduğumuzu varsayalım:
"yukarı" pozisyondaki giriş anahtarı ile (Vcc ye bağlı), Q1 diyotunun sola seyreden diyotunun
üzerinden akım geçmeyeceği açıktır çünkü anahtar-diyot-R1-anahtar döngüsünde elektron akışını
sağlayacak herhangi bir gerilim yoktur. Ancak Q1 in sağa seyreden diyotu üzerinde, Q2 nin
referans-yayıcılı diyot kavşağı ve Q4 ün referans-yayıcılı diyot kavşağı üzerinde olduğu gibi, akım
olacaktır:
Bu bize hakiki geçit devresinde Q2 ve Q4 transistörleri toplayıcı akımı iletmeyi açacak referans
akıma sahip olacaktır. Sağı yöneten diyot, Q2 nin referans-yayıcılı diyotu ve Q4 ün referans-yayıcılı
diyotu ile Q1 referansı (iki sırt sırta yöneten diyotu birbirine bağlayan boğum) ile toprak arasında
toplam gerilim düşüşü, üç PN kavşağının birleşik gerilim düşüşüne eşit, yaklaşık 2.1 volt olacaktır:
Sağ yöneten diyot, Q2 nin referans-yayıcılı diyotu ve Q4 ün referans-yayıcılı diyotu.
Şimdi, giriş anahtarını "aşağı" ya hareket ettirelim ve ne olduğunu görelim:
Bu devredeki akımı ölçebilseydik, Q1 in sola yöneten diyotu üzerinden geçen tüm akımı ve sağ diyot
üzerinde olmayan akımı bulabilirdik. Neden böyledir? Söylendiği gibi onun hala Q4 diyotu, Q2
diyotu, çiftin sağ diyotu ve R1 üzerinde tam akım yolu var oluşu görünür fakat neden bu yol
üzerinde akım yoktur?
Onlara uygulanan ileri gerilim mutlak minimum miktara ulaşana kadar ( yaklaşık olarak silikon için
0.7 volt ve germanyum için 0.3 volt) akım iletmeye başlamazlar. PN kavşaklarının çok doğrusal
olmayan aygıtlar olduğunu hatırlayınız. Onlar akım iletmeye başladıktan sonra, 0.7 volttan daha
fazla düşmeyeceklerdir. Bu devredeki anahtar "aşağı" pozisyonda iken, yöneten diyot çiftlerinin sol
diyotu tamamen iletiyordur ve 0.7 volttan daha fazla düşmez.
Anahtarı tekrar "yukarı" pozisyona getirelim (Q2 ve Q4 transistörleri iletiyor), iki benzer nokta (Q1
in tabanı ve toprağı) arasına yaklaşık 2.1 volt düşer, bu aynı zamanda iletim durumunda ilerleyen
gerilime, silikon PN kavşaklarına bağlı ızgara gerilimi üçlü serisi için artı yönde gerekli minimum
gerilim olur. Sol diyotun artı gerilim düşüşünden elde edilen 0.7 volt, sağ Q2 diyotunun seri devre
üzerinden, R3//Q4 diyotu paralel alt devresinden herhangi bir elektron akışına izin vermeye tümüyle
elverişsizdir ve sonuçta bu yol üzerinden elektron akışı yoktur. Q2 yada Q4 transistörünün tabanı
üzerinden elektron akışı yok iken hiçbiri toplayıcı akım iletemeyecektir: Q2 ve Q4 transistörleri
kesim durumunda olacaktır.
Sonuç olarak, bu devre konfigürasyonu Q2 taban akımının yüzde 100 anahtarlanmasına sola
yönelimli diyot üzerinden akım sapması ile izin verir (ve bundan dolayı geçit devresi durağını
çıkıştaki gerilimi içerecek şekilde kontrol eder).
Örneğimizdeki geçit devresinde anahtar ile (Vcc ye bağlandı) sola yönelimli diyot yapılarak(üzerine
sıfır gerilim düşürüldü), giriş "yüksek" tutuldu. Ancak, sağa yönelimli diyot Q2 tabanı ve R1 direnci
üzerinden akım iletmektedir:
Sağlanan taban akım ile Q2 transistörü "açılacak" tır. Çok spesifik olarak, taban üzerinde R1
tarafından izin verilen yeterli akımdan daha fazla olması dolayısıyla doyacaktır. Q2 nin doygunluğu
ile, R3 direnci Q4 transistörünün taban-yayıcılı kavşağını yeterli artı-ızgara gerilimine düşürecektir,
bu suretle onu doygun hale getirecektir:
Doygun Q4 ile çıkış terminali, neredeyse 0 volt yada ikili "0" ("düşük") mantık seviyesi geriliminde
(toprak referansında) bırakıldığında direk olarak topraklanmış olacaktır. D2 diyotunun varlığı nedeni
ile, Q3 ün tabanı ile onu açacak ileticisi arasında yeterli gerilim olamayacağı için kesme durumunda
kalır.
Giriş anahtarını harekete geçirerek, girişin mantık seviyesini ikili "0" a çevirdiğimizde ne olduğuna
bakalım:
Şimdi Q1 in dola yönelimli diyotu üzerinde akım olacak ve sağa yönelimli diyotu üzerinde akım
olmayacaktır. Bu Q2 nin tabanı üzerindeki akımı kapatarak elimine eder. Q2 kapalı iken, Q4 taban
akımı için artık bir yol yoktur, bu nedenle Q4 kesme durumuna gider. Öte yandan Q3, taban-yayıcılı
kavşağının artı-ızgara gerilimi ve doyurmak için taban ve toprağı arasında verimli gerilim
düşürülmüştür, böylece çıkış terminal gerilimini "yüksek" duruma getirmiştir. Gerçekte, çıkış
gerilimi doygunluk derecesine ve yük akımına bağlı olarak 4 volt civarında olacaktır fakat hala
"yüksek" (1) mantık seviyesi olarak göz önünde bulundurulabilecek kadar yeterince yüksektir.
Bununla, evirici devremizin simülasyonu tamamlanmıştır: "1" girişi "0" verir vs.
Zeki bir gözlemci bu evirici devresinin girişinin sola kayan (ne Vcc ne de toprağa bağlanmamış)
"yüksek" bir seviye varsayılacağına dikkat edecektir. Sola bağlanmamış giriş terminali ile, R1 in
akımının Q2 nin tabanı boyunca gitmesine izin vererek, Q1 sola yönelimli diyot üzerinde akım
olmayacaktır, böylece Q2 doyacak ve devre çıkışı "düşük" duruma sürülecektir:
Eğer sola akış Transistör-den-Transistör e yada TTL olarak bilinen bu dizayn türüne bağlı olarak
tüm geçit devreleri tarafından paylaşılırsa, yüksek giriş seviyesi elde etmek için böyle bir devreye
gereksinim olur. Bu özellikten geçitlerin çıkış devre dizaynlarını basitleştirmekte yararlanılabilir,
geçitlerin çıkışları bilindiğinde tipik olarak diğer geçitlerin girişleri sürülür. TTL geçit devresinin girişi
kayarken yüksek bir durum üstlenirse, TTL girişini süren herhangi bir geçidin çıkışı sadece düşük bir
durum için topraklama ve yüksek bir duruma kayma yolu sağlama ihtiyacı duyar. Bu kavram tam
anlama için ilave bir ayrıntı gerektirir, bu nedenle burada detaylı bir şekilde inceleyeceğiz.
Analiz ettiğimiz geçit devresi çıkış akımını içeri ve dışarı iki yöne idare etmeye kabiliyetlidir: içeri ve
dışarı. Teknik olarak bu sırasıyla sourcing ve sinking akımı olarak bilinir. Geçit çıkışı yüksek
olduğunda, elektronların topraktan yük boyunca geçidin çıkış terminaline, Q3 yayıcısı boyunca ve
nihayetinde Vcc güç terminaline (DC güç kaynağının pozitif tarafı) kadar akmasına izin veren, üst
çıkış transistörü (Q3) boyunca çıkış terminalinden Vcc ye süreklilik vardır:
Bu kavramı basitleştirmek için, durumuna göre çıkış terminalini Vcc yada toprağa bağlama
yeteneğine sahip çift-yönlü anahtar olarak geçit devresinin çıkışını göstermeliyiz. "yüksek" mantık
seviyesi veren bir geçit, Q3 doygun ve Q4 kesme kombinasyonu, topraklanmış yük boyunca akım
yolu sağlayan "Vcc" pozisyonunda çift-atışlı anahtara paraleldir:
Geçit sembolü içerisinde gösterilen bu iki-pozisyonlu anahtarın, sırasıyla çıkış terminalini Vcc yada
toprağa bağlayan Q3 ve Q4 transistörlerini temsil ettiğine dikkat ediniz, daha önce gösterilen
anahtar geçite bir giriş sinyali göndermemektedir!
Tersine, bir geçit devresi yük e bir "düşük" mantık seviye çıkardığında, "toprak" pozisyonunda
ayarlanmış çift-yönlü anahtara benzerdir. Yük direnci Vcc ye bağlanırsa akım farklı bir yoldan
gidecektir: Topraktan, Q4 yyayıcısı boyunca ilerleyip, çıkış terminalinden çıkarak, yük direnci
üzerinden ve tekrar Vcc ye ulaşacaktır. Bu koşuldaki geçişe sinking akım denilir:
"bas-çek" transistör çifti (totem kutup çıkışı olarak bilinir) gibi çalışan Q3 ve Q4 kombinasyonu
yükün kaynak akımına (akımı Vcc ye sürer) yada sink akımına (topraktan çıkış akımı) geçişine
yeteneklidir. Bununla beraber, standart bir TTL geçit girişi akımın source lanmış olmasına ihtiyaç
duymaz, sadece sink akımının olması yeterlidir. Böyle kabul edilmesinin nedeni, bir TTL geçit girişi
doğal olarak eğer sola kayan ise yüksek bir durum varsayar, TTL girişini süren herhangi bir geçit
çıkışı "0" yada "düşük" girişi sağlamak için sadece sink akımına ihtiyaç duyar ve alıcı geçidinin
girişinde "1" yada "yüksek" mantık seviyesi sağlamak için source akımına ihtiyaç duymaz:
Bunun anlamı, Q3 ü tamamen elimine edebilmek için geçit devresinin çıkış mertebesini
sadeleştirmenin bir seçeneğine sahibiz. Sonuç açık-toplayıcılı çıkış olarak bilinir:
Açık-toplayıcılı çıkış devresini standart geçit sembolü ile dizayn etmek için özel bir işaret kullanıldı.
Burada gösterilen açık-toplayıcılı çıkış ile evirici geçidinin bir sembolüdür:
Kayan geçit girişinin varsayılan "yüksek" koşulunun sadece TTL devresi için doğru, diğer türler için
gereksiz, özellikle alan-etkili transistörlerin mantık seviyeleri için inşa edilmiş olduğunu
unutmayınız.
•
ÖZET:
•
Bir evirici yada NOT, girişin zıttı durum çıkartan bir geçittir. Öyle ki, "düşük" giriş (0) "yüksek"
çıkış (1) verir vs.
•
Bu konuda bahsedildiği gibi dirençler ve iki kutuplu transistörlerle inşa edilmiş geçit devreleri
TTL olarak adlandırılır. TTL Transistor-to-Transistor Logic in kısaltılmışıdır. Geçit devrelerinde
kullanılan bazı iki kutuplu transistörler yerine alan-etkili transistörleri kullanan başka dizayn
yöntemleri vardır.
•
Bir geçide, çıkış terminali ve DC güç kaynağının (Vcc) pozitif tarafı arasında akım yolu
sağladığında, source akım denir. Başka bir deyişle, güç kaynağı nın (+V) çıkış terminaline
bağlanır.
•
Bir geçide, çıkış terminali ve toprak arasında akım yolu sağladığında, buna sinking akım denir.
Başka bir deyişle, çıkış terminali topraklanır (sinking).
•
Totem kutup lu çıkış mertebesi ile geçit devreleri source ve sink akıma yeteneklidirler. Açıktoplayıcılı çıkış mertebesi ile geçit devreleri kaynak akıma değil, sadece sink akıma
yeteneklidirler. Açık-toplayıcılı geçitler TTL geçit girişlerini sürmekte kullanıldıklarında
pratiktirler çünkü TTL girişleri akım kaynağına ihtiyaç duymazlar.