دانلود مقاله آشنایی با گیت های منطقی

گیت ها از اجزا تشکیل دهنده یک سیستم دیجیتالی محسوب می شوند.

هر گیت یک عمل منطقی را انجام می دهد مانند عدل منطقی AND و امثالهم.

اینک سمبل مداری و عمل منطقی چند گیت را توضیح می دهیم.
گیت AND
در مدارات منطقی دو حالت وجود دارد یا ولتاژ داریم که آن را با 1 یا H نشان می دهند.یا ولتاژ نداریم که آن را با O یا L نشان می دهند.

در گیت AND زمانی خروجی High است که هر دو ورودی High باشد.

برای بررسی حالت های مختلف ورودی و پاسخ آنها در خروجی جدولی به نام صحت رسم می نماییم.
در مدارات الکترونیکی که اعمال منطقی انجام بدهند برای نشان دان مقادیر 0 و 1 از دو تراز ولتاژ استفاده می شود.

ولتاژ با دامنه صفر ولت نشان دهنده صفر منطقی با دامنه 5 ولت نشان دهنده یک منطقی است.

گیت OR
در گیت OR زمانی خروجی صفر منطقی است که تمام ورودی های آن صفر منطقی باشند.

جهت بررسی حالت های مختلف ورودی و پاسخ آنها در خروجی جدول صحت گیت فوق را رسم می نماییم.
گیت NOT
همان طور که از شکل دیده می شود در گیت NOT خروجی متمم ورودی است.

یعنی
گیت NOR
این گیت از یک گیت OR تشکیل شده که خروجی آن به یک گیت NOT وارد شده و خروجی گیت NOR همان خروجی گیت NOT است شمای فنی گیت NOR در شکل 4-30 دیده می شود.
این گیت از یک گیت OR تشکیل شده که خروجی آن به یک گیت NOT وارد شده و خروجی گیت NOR همان خروجی گیت NOT است شمای فنی گیت NOR در شکل 4-30 دیده می شود.

جدول صحت گیت NOR به قرار زیر است.

یعنی گیت NOR زمانی دارای خروجی است که هر دو ورودی آن LOW باشد.

گیت NAND با توجه به جدول صحت می توان گفت گیت NAND تنها در یک حالت خروجی ندارد و ان زمانی است که تمام ورودی های آن High باشند.

در ساختمان هر کدام از گیت هایی که تاکنون معرفی نمودیم از دیودها و ترانزیستور ها استفاده شده است.

با توجه به مدار روبرو هرگاه I3 , I2 , I1 High باشن O4 نیز High شده و خروجی O، Low خواهد شد این حالت با آخرین ردیف جدول صحت و مطابقت دارد.

بقیه حالت های موجود در جدول صحت نیز همین طور می توانند بررسی شوند.

گیت انحصاری X-OR هرگاه هر دو ورودی در حالت یکسانی قرار بگیرند یعنی هر دو در وضعیت صفر منطقی یا یک منطقی قرار گیرند خروجی در وضعیت منطقی قرار خواهد گرفت.

این خاصیت کاربرد کیفیت X-OR را جهت مقایسه کنندگی روشن می سازد.

در این گیت زمانی خروجی خواهیم داشت که ورودی ها یسکان باشند یعنی یا هر دو صفر یا هر دو یک گیت X-NOR متمم گیت X-OR است.

مثال: خروجی مدار زیر را به دست آورید.

در صورتی که کلیه ورودی ها یک منطقی باشند.

خروجی یک منطقی است.

مدارهای مجتمع یا IC Integrated Circuits امروزه به کمک تکنولوژی پیشرفته در الکترونیک مدارهای بسیار پیچیده الکترونیک قدرم را در حجمی بسیار پائین تحت عنوان مدارات مجتمع یا IC ها قرار داده اند.

در مبحث تقویت کننده های عملیاتی با IC شماره 741 آزمایشی را انجام دادید.

و به این نتیجه رسید که بسیتن مدار با مدار مجتمع آسانتر بوده و پاسخ دقیقتری از آزمایش به دست IC ها چه در سیستم های دیجیتالی و چه در سیستم های آنالوگی وجود دارند.

حال شمار را با چند نمونه مدار مجتمع آشنا می کنیم.

IC های سری RTL: در این IC ها گیت ها از مقاومت و ترانزیستور تشکیل شده اند به آنها (Resistor- Transistor- Logic) می گویند.

IC های سری DTL: در این IC ها گیت ها از دیود و ترانزیستور ساخته می شوند و به آنها (Diode- Transistor- Logic) گویند.

IC های سری TTL: در این IC ها گیت ها از ترانزیستور های معمولی و ترازیستورهای با چند امیتر ساخته می شوند.

TTL سری معروفی از IC ها هستند در بازار به آنها سری 74 گویند.

IC های سری CMOS: در ساختن این IC ها از ترانزیستور های CMOS استفاده می شود.

IC های سری CMOS در بازار با سری 54 شناخته می شوند.

تقویت کنند های عملیاتی تقویت کننده های عملیاتی تقویت کنده های عملیاتی که به اختصار op- amp گفته می شود از کلمه operational amplifier گرفته شده است.

تقویت کننده هایی هستند که با کوپلاژ مستقیم و دارای ضریب بسیار بزرگی می باشند.

از آنجا که تقویت کننده های عملیاتی دارای گین ولتاژ بالایی هستند.

لذا هرگاه در ورودی آنها ولتاژ کمی اعمال شود بایستی در خروجی ولتاژ بالائی بوجود آید.

به همین جهت گین تقویت کننده عملیاتی را با روش های مختلف کنترل می نماید.

تقویت کننده های عملیاتی کاربرد های وسیعی در سیستم های الکترونیک دارند.

از قبیل مدارات جمع کننده انتگرال گیر، مشتق گیر، مبدل اسپانس، مبدل جریان به ولتاژ، مبدل ولتاژ به جریان، تقویت کننده های لگاریتمی، یکسوسازها، ضرب کننده آنالوگ مقایسه کننده و غیره علاوه بر آن از لحاظ اقتصادی ارزان قیمت هستند ابعادشان کوچک بوده ضریب اطمینان بالایی داشته و پایداری حرارتی خوبی دارند.

از خصوصیات مهم آنها می توان به موارد زیر اشاره کرد: 1) امپدانس ورودی بسیار بزرگ 2) امپدانس خروجی بسیار کوچک 3) گین ولتاژ بالا 4) پهنای باند وسیع 5) پایداری حرارتی خوب تقویت کننده های عملیاتی به صور متفاوتی ساخته می شوند اما از لحاظ کلی قسمت های مختلف ساختمان داخلی آنها مانند بلوک دیاگرام شکل 2-29 است.

مدارهای مجتمع، مزایا و تقسیم بندی آنها در مدارهای الکترونیکی که تعداد قطعات به کار رفته در آنها زیاد نباشد مونتاژ و انجام اتصالات به سادگی النجام می پذیرد.

اما با افزایش تعداد قطعات علاوه بر بالا رفتن احتمال خط در نصب و اتصالات و همچنین صرف وقت زیاد مشکلاتی از قبیل افزایش حجم مدار و قیمت بالای تمام شده مدار نیز وجود دارد.

لذا در ساخت مدارهای پیچیده از IC ها (مدارهای مجتمع) استفاده می شود.

مزایای مدارهای مجتمع Integrated Circuit عبارتند از: الف) اجزاء یک مدار مجتمع روی یک قطعه نیمه هادی و در شرایط یکسان وبه طور همزمان ساخته می شود.

ب) به دلیل به حداقل رسیدن اتصال بین قطعات مدار مجتمع خواص خازنی و سلفی ناخواسته کاهش می یابد.

ج) قیمت IC به مراتب از مدار غیر مجتمع مشابه کمتر است.

د) حجم مدار بسیار کاهش می یابد.

هـ) دقت مدار به مراتب بالا می رود.

مدارهای مجتمع رابه دو دسته آنالوگ و دیجیتال تقسیم می کنند و IC های آنالوگ نیز به دو دسته خطی و غیر خطی تقسیم می شوند.

IC های دیجیتالی تنها دارای دو سطح ولتاژ صفر و یک منطقی هستند امادر آنالوگی های سطوح مختلف و ولتاژ دیده می شود.

تقویت کننده های عملیاتی (op- Amp) جزء IC های آنالوگ خطی به حساب می آیند علت نامگذاری عملیاتی آن است که می توان با آنها عملیات مختلف را انجام داد.

بلوک دیاگرام تقویت کننده عملیاتی یکی از ورودی های یک تقویت کننده علمیاتی با علامت منفی مشخص شده به آن ورودی معکوس کننده می گویند اگر سیگنالی به آن اعمال شود با 180 درجه اختلاف فاز تقویت شده آن در خروجی دیده می شود.

ورودی دیگر با علامت مثبت مشخص شده به آن ورودی غیر معکوس کننده می گویند اگر سیگنالی به آن اعمال شود بدون اختلاف فاز تقویت شده و در خروجی دیده می شود.

طبقه میانی وظیفه تقویت ولتاژ و تطبیق امپدانس بین طبقات ورودی و خروجی را به عهده دارد که در آن از تقویت کننده های امیتر مشترک و عملکرد کلکتور مشترک استفاده می شود.

طبقه خروجی قدرتی بوده و در اغلب تقویت کننده های عملیاتی به صورت تقویت کننده های پوشپول دیده می شود.

نیمه هادی های چندلایه ای SCR- UJT – دیاک- ترایاک در صنعت به قطعاتی الز الکترونیک احتیاج است که ضمن آنکه بتوانند جریان را به سرعت قطع و وصل نمایند تحمل جریان و ولتاژ های زیاد را نیز داشته باشند.

از مهمترین این عناصر می توان به UJT و SCR دیاک و ترایاک اشاره کرد.

uni Junction Travsistor کاربرد UJT در مدارات نوسان ساز تحریک پایه گیت تریستور و در مدارات کنترل است.

این ترانزیستور دارای یک پیوند Pn می باشد.

از یک قطعه نیمه هادی نوع n که بیسهای UJT به ابتدا و انتهای آن منتقل می شوند و یک پیوند با نیمه هادی نوع P که امیتر به آن متصل می شود تشکیل شده است.

بنابراین UJT ماندن دیود فقط دارای یک اتصال Pn است.

به این جهت به آن دیود جفت بیس نیز می گویند.

پایه های UJT در تقویت کننده ها کاربردی ندارند.

تشخیص پایه های UJT به کمک اهم متر شمای فنی یک UJT را نشان می دد.

امیتر پایه ای است که نسبت به بیسها مانند دیود عمل می‌کند پایه ای که نسبت به امیتر مقاومت بیشتری نشان می دهد بیس و پایه دیگر بیس دو می باشد.

B1 و B2 نسبت به هم مقاومت بالائی را نشان می دهد.

Silicon control Rectifire یکسو کننده قابل کنترل سیلیکونی که به اختصار SCR نامیده می شود.

SCR در حقیقت یک یکسو کننده است و همانند آنها دارای آندوکاتد می باشد هر گاه آند به منفی و کاتد به مثبت منبع ولتاژی وصل باشد در بایاس معکوس قرار گرفته و جریانی از آن عبور نمی کند.

وجه تمایز SCR با دیود یکسوساز در بایاس موافق آن است که هرگاه آندش به مثبت و کاتدش به منفی متصل باشد حتی با رسیدن ولتاژ دو سرش به حد ولتاژ آستانه SCR از خود جریانی عبور نمی دهد.

نقش پایه دیگر که گیت نامیده می شود در این است که اگر ولتاژ مثبتی نسبت به کاتد به گیت اعمال شود تریستور همانند یکسو کننده شده و جریان را از خود عبور می دهد.

پس می توان گفت تریستور همانند یک دیود است که پایه سومی بنام گیت دارد و زمانی جریان را هدایت می‌کند که اولا بایاس مستقیم شود.

ثانیا گیت آن تحریک شود.

کاربرد تریستور در دستگاه های صنعتی تلویزیون های رنگی و مدارات کنترل می باشد.

سه پایه SCR عبارتند از آند، کاتد و گیت.

تریستور دارای سه پیوند Pn، np و Pn می باشد.

شمای یک تریستور دیده می شود.

همان طور که ملاحظه می کنید SCR از چهار لایه نیمه هادی تشکیل شده است.

تشخیص پایه های SCR به وسیله اهم متر همان طور که می دانیم گیت نسبت به کاتد همانند یک دیود عمل می‌کند.

یعنی اگر مثبت اهم متر به گیت و منفی آن به کاتد وصل شود اهم متر مقاومت کم و بالعکس آن مقاومت زیادی را نشان می دهد.

بقیه پایه ها نسبت به هم در هر حالتی مقاومت زیادی را نشان می دهند بنابراین فضا در یک حالت اهم متر مقاومت کمی را نشان می دهد که در آن حالت سیم منقی اهم متر به کاتد و سیم مثبت به گیت وصل باشد.

لذا پایه دیر آند است.

ترایاک Triode Ac semi condutor ترایاک نوعی تریستور قابل کنترل دو جهته است که برای یکسو نمودن جریان می تواند موجب متناوب را در هر دو جهت تحت کنترل قرار دهد.

تریستور یا SCR فقط قادر به کنترل جریان در یک جهت می باشد.

اما ترایاک این کنترل را در جهت انجام می دهد لذا می توان گفت ترایاک یک کلید نیمه هادی دو طرفه می باشد که که دارای سه پایه است.

شکل (3-28) شمای فنی یک ترایاک را نشان می دهد.

کاربرد ترایاک در مدارهای کنترل قدرت AC به دلیل هدایت دو طرفه آن است.

همچنین می توان جهت کنترل ور یک لامپ نئونی از ترایاک استفاده نمود.

تشخیص پایه های ترایاک با کمک اهم متر گیت نسبت به MT1 از هر دو طرف مقاومت کمی را نشان می دهد.

و مانند دو دیود هستند که به صورت موازی ومخالف هم قرار گرفته باشند.

MT1 نسبت به MT2 و گیت نسبت به MT2 ا زهر دو طرف مقاومت بی نهایت را نشان می دهند بنابراین تنها پایه ای که م یتوان به کمک اهم متر تشخیص داد MT2 می باشد که نسبت به دو پایه دیگر عایق است.

گیت و MT2 را نمی توان به کمک اهم متر تعیین کرد.

دیاک Piac Diode Ac switch دیاک دیودی دو جهته است که در هر دو جهت می تواند در وضعیت روشن قرار گیرد.

شکل (4-28) شمای فنی یک دیاک را نشان می دهد.

همان طور که ملاحظه می کنید دارای دو پایه بوده و قادر به هدایت جریان در دو جهت می باشد.

از این خاصیت در مدارهایی که با برق متناوب کار می کنند استفاده فراوانی می شود.

اساس ساختمان دیاک دو دیود چهار لایه Pn-Pn می باشد که به صورت موازی و معکوس قرار گرفته اند.

عملا به جای دو دیود با چهار لای جداگانه معادل آن به صورت یک دیود پنج لایه ساخته می شود.

هر گاه آند یک از آند دو مثبت تر شود جریان از لایه های عبور خواهد نمود.

ملاحظه می شود که دیاک می تواند در هر دو جهت هدای نماید.

توضیح بیشتر در مورد قطعات صنعتی در دوره الکترونیک صنعتی خواهد آمد.

مولتی ویبراتورها Vibration یعنی نوسان مولتی ویبراتور نوعی مولد غیر سینویس است که به کمک ترانزیستور های مدار موجب مربعی یا پالس هایی با پهنای معین تولید می‌کند.

ترانزیستورهای موجود در مولتی ویبراتور ارتباط داشته به طوری که هرگاه یکی از آنها در حالت قطع باشد دیگری در حالت هدایت قرار می گیرد.

فرکانس نوسانات مدار به ثابت زمانی المان های موجود در آن بستگی دارد به طوری کلی مولتی ویبراتور ها را به سه دسته تقسیم می کنند.

مولتی ویبراتور استابل ترانزیستورهای این مولتی ویبارتور خود به خود بین دو حالت قطع و اشباع تغییر حالت می دهند.

لذا به مولتی ویبراتورهای استبال مولتی ویبراتورهای ناپایدار می گویند.

همان طور که ملاحظه می شود این مدار دائما تغییر وضعیت می دهد لذا می تواند همانند نوسان سازی برای تولید موج مربعی به کار رود.

طرز کار مدار به این صورت است که در ابتدا فرض می کنیم ترانزیستور T1 در حالت قطع باشد در این صورت TC1 صفر بوده لذا VC1 برابر VCC می باشد.

این ولتاژ از طریق خازن C2 به بین ترانزیستور T1 رسیده و باعث می شود ترانزیستور T2 به اشباع برود.

در حالت اشباع مقدار BCE بسیار کم است لذا FC2 تقریبا صفر خواهد بود.

این ولتاژ بسیار ناچیز از طریق خازن C1 به بیس ترانزیستور T1 رسیده سبب می شود T1 شروع به هدایت کند.

هدایت نمودن T1 و VC1 را پائین آورده متعاقب آن VB2 کاهش می یابد.

تراتزیستور T2 در حالت قطع است.

با توجه به این توضیح خازن C2 بیشتر هدایت نماید.

در این وضعیت T1 در حالت اشباع و T2 در حالت قطع است.

با توجه به این توضیح خازن C2 نیز می تواند از طریق مقاومت RB2 شارژ شده و ولتاژ بیس T2 را بالا برده و ان را وادار به هدایت نماید.

Q1 به قطع بورد.

با توجه به مطالب عنوان شده ملاحظه می کنید حالت های دو ترانزیستور همواره عکس هم می باشد و مدت زمان قطع و اشباع ترانزیستور ها به ثابت زمانی عناصر مدار بستگی دارد.

مولتی ویبراتور منواستابل این مدار تنها دارای یک حالت پایدار بوده و زمانی راه اندازی می شود که به ورودی آن ولتاژ تحریک یا تریگر داده شود.

مولتی ویبراتور منواستابل به مدار اشمیت تریگر شباهت دارد.

کاربرد این مدار در مدارات دیجیتالی جهت ایجاد یک پالس با مدت زمان ثابت یا پهنای ثابت و همچنین برای ایجاد تاخیرهای معین است.

در این مدار یکی از کوپلاژهای خازنی که در مدار قبلی دیده می شد حذف شده است.

به این دلیل مدار فوق دارای یک حالت پایدار گردیده است.

طرز کار مدار به این صورت است که بیست ترانزیستور T2 از طریق مقاومت RB2 به VCC وصل شده لذا ترانزیستور T2 به اشباع می رود.

VC2 کاهش یافته به بیس T1 منتقل می شود این ولتاژ بسیار کم قادر به راه اندازی T1 نیست لذا T1 در حالت قطع باقی می ماند.

حال اگر بیس T1 با یک ولتاژ مثبتی تریگر شود سبب می شود که ترانزیستور T1 شروع به هدایت نموده و به اشباع برود.

در این حالت VC1 کاهش یافته این کاهش ولتاژ به بیس T1 منتقل شده آن را به حالت قطع می برد.

اما این وضعیت دوامی ندارد و پایدار نیست و بعد از ثابت زمانی RB2C2 خازن شارژ شده ولتاژ بیس T2 را بالا برده مجدداً T2 به اشباع رفته و T1 قطع می شود.

ملاحظه می شود که مدار فوق یک حالت پایدار است و برای کار کردن احتیاج به پالس تریگر دارد.

مولتی ویبراتور بای استابل (دو حالته) این مولتی ویبراتور دارای دو حالت پایدار می باشد و از نظر ساختمانی در آن کوپلاژ خازنی دیده نمی شود.

در این مدار تا زمانی که سیگنالی به ورودی داده نشود تعویض حالت نخواهیم داشت کاربرد آن در حافظه های دیجیتالی مدارهای کنترل الکترونیک و شمارنده های الکترونیکی و همچنین تقسیم کننده های فرکانس است.

طرز کار مدار به این صورت است که در ابتدا فرض می کنیم T1 در حالت قطع و T2 در حالت اشباع باشد.

با توجه به وضعیت ساختمانی مدار تغییر وضعیتی نخواهیم داشت تا هنگامی که از خارج آن را تریگر نماییم.

به مولتی ویبراتورهایی دو حالته فیلیپ فلاپ گویند.

توسط گیست های منقطی که در دروس آینده توضیح داده می شوند می توان یک فیلیپ فلاپ ساخت.

0I2I10I2I1LLL000LLLیا010LLH001hHH111 0I3I2I1100011001010111.1001110110111111 0I3I2I1100011001010111.1001110110110111 0I2I1100010001111