Как собрать схему на MOSFET-транзисторах

Глав­ный эле­мент в простых схе­мах — это MOSFET-тран­зистор, или, как его еще называ­ют, МОП‑тран­зистор. Раз­новид­ностей тран­зисто­ров великое мно­жес­тво, но для нас сегод­ня важен имен­но он. MOSFET рас­шифро­выва­ется как Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistors, металл‑оки­сел‑полуп­ровод­ник полевой тран­зистор. Собс­твен­но, пер­вые три сло­ва — это и есть МОП. Эти аббре­виату­ры обоз­нача­ют струк­туру и матери­алы, из которых элек­трон­ный ком­понент изго­тов­лен.

Как собрать схему на MOSFET-транзисторах

Тран­зистор — глав­ный «кир­пичик» в элек­трон­ных схе­мах самых нево­обра­зимых мас­шта­бов. Это изго­тов­ленный из полуп­ровод­ников элек­трон­ный при­бор, который при опре­делен­ных усло­виях начина­ет про­пус­кать через себя элек­три­чес­кий ток. В зависи­мос­ти от этих усло­вий ток, про­тека­ющий через тран­зистор, может уве­личи­вать­ся или умень­шать­ся, а так­же может прек­ратить идти сов­сем.

МОП‑тран­зисто­ры быва­ют двух видов — p-каналь­ные и n-каналь­ные.

Ес­ли пос­мотреть на условное обоз­начение, то мож­но заметить, что рабочих кон­тактов у полево­го тран­зисто­ра три, они называ­ются source, drain и gate (в рус­ско­языч­ной интер­пре­тации «исток», «сток» и «зат­вор»). Говоря очень прос­тым язы­ком, MOSFET мож­но пред­ста­вить как некую «элек­трон­ную кноп­ку» или элек­трон­ный ключ, толь­ко ток начина­ет про­текать меж­ду исто­ком и сто­ком не при нажатии, а при подаче нуж­ного нап­ряжения на зат­вор, которое отпи­рает тран­зистор. А ког­да нап­ряжение запира­ет MOSFET, ток течь прек­раща­ет.

Бук­вы n и p в наз­вани­ях видов тран­зисто­ров обоз­нача­ют полуп­ровод­никовый матери­ал, из которых они сде­ланы. Раз­ница меж­ду ними такая: n-каналь­ный тран­зистор отпи­рает­ся нап­ряжени­ем, соот­ветс­тву­ющим уже зна­комой нам логичес­кой еди­ницей, а p-каналь­ный — нап­ряжени­ем, рав­ным логичес­кому нулю.

Выб­рать под­ходящий тран­зистор в наше вре­мя очень прос­то. Нес­коль­ко десят­ков лет назад для того, что­бы опре­делить тип тран­зисто­ра, ради­олю­бите­лю тре­бова­лось про­шер­стить тома спра­воч­ников. Сей­час тебе дос­таточ­но про­читать на кор­пусе тран­зисто­ра его номер и забить его в поис­ковик. Пер­вым же резуль­татом, ско­рее все­го, будет ссыл­ка на даташит — документ с тех­ничес­кими харак­терис­тиками.

РЕКОМЕНДУЕМ:
Как научиться электронике и схемотехнике

Для нас глав­ное в этом докумен­те — най­ти помет­ку MOSFET или MOS (что­бы убе­дить­ся, дей­стви­тель­но ли это тот тран­зистор, который нам нужен), а так­же рас­пинов­ку тран­зисто­ра. Обыч­но наз­вания кон­тактов под­писыва­ются пер­выми бук­вами, рас­положен­ными око­ло ног тран­зисто­ра на его фотог­рафии.

Сборка схем на MOSFET-транзисторах

Со­бирать элек­три­чес­кие схе­мы мож­но при помощи пай­ки элек­трон­ных ком­понен­тов на мон­тажной пла­те, но для это­го необ­ходимы спе­циаль­ное обо­рудо­вание и навыки, без которых пай­ка прев­раща­ется в опас­ное занятие. О тон­костях пай­ки я, воз­можно, рас­ска­жу в одной из сле­дующих ста­тей, а сегод­ня мы будем собирать схе­мы на бес­паеч­ной макет­ной пла­те, извес­тной так­же как «бред­борд» (breadboard).

Бред­борды быва­ют раз­ных форм и раз­меров, но смысл работы у них похожий. Про­вода и кон­такты ком­понен­тов лег­ко встав­ляют­ся в ячей­ки и надеж­но там кре­пят­ся. Если под­клю­чение ока­жет­ся неп­равиль­ным, то ничего перепа­ивать не нуж­но, дос­таточ­но прос­то перес­тавить кон­такт в дру­гую ячей­ку. Вот такой внеш­ний вид и внут­реннее устрой­ство у стан­дар­тно­го неболь­шого бред­борда.

В перево­де с англий­ско­го breadboard дос­ловно озна­чает «дос­ка для рез­ки хле­ба». Дав­ным‑дав­но, ког­да о сов­ремен­ных макет­ных и мон­тажных пла­тах не шло и речи, а элек­трон­ные ком­понен­ты были далеко не такими ком­пак­тны­ми, как сей­час, древ­ние ради­олю­бите­ли тоже хотели собирать про­тоти­пы сво­их схем с воз­можностью лег­ко и быс­тро раз­бирать и перес­тавлять ком­понен­ты. Они при­дума­ли вби­вать гвоз­ди в деревян­ные хлеб­ные дос­ки и на них нак­ручивать нож­ки элек­трон­ных ком­понен­тов. Со вре­менем бред­борды перес­тали быть хлеб­ными дос­ками, но наз­вание оста­лось.

Сборка вентиля NOT на МОП-транзисторах

Схе­мы мы нач­нем собирать с самого прос­того в сбор­ке вен­тиля НЕ. Так как мы уже изу­чили обоз­начения элек­трон­ных ком­понен­тов, тебе будет лег­ко соб­рать самому элек­трон­ную схе­му по ее чер­тежу, по которо­му сра­зу вид­но, что куда под­клю­чать.

Вот спи­сок ком­понен­тов, которые понадо­бят­ся для этой схе­мы:

• один p-каналь­ный MOSFET-тран­зистор;
• один n-каналь­ный MOSFET-тран­зистор;
• два резис­тора с соп­ротив­лени­ем от 150 до 360 Ом;
• два све­тоди­ода.

Ни­же ты можешь уви­деть прин­ципи­аль­ную схе­му инверто­ра, которая наг­лядно показы­вает, как NOT перево­рачи­вает сиг­нал.

В схе­ме инверто­ра исполь­зуют­ся оба вида тран­зисто­ров. Для соз­дания на выходе еди­ницы p-каналь­ный тран­зистор выб­ран потому, что он спо­собен выдать ее прак­тичес­ки без потерь по нап­ряжению, в отли­чие от n-каналь­ного, который, в свою оче­редь, чет­ко фор­миру­ет ноль на выходе.

Ес­ли добавить в схе­му два све­тоди­ода, один из которых под­клю­чен к плю­су питания, а дру­гой к минусу, то мы получим схе­му, где, подав на вход низ­кий сиг­нал, мы получим высокий, от которо­го загорит­ся све­тоди­од, под­клю­чен­ный к минусу, и наобо­рот.

При подаче логичес­кой еди­ницы вер­хний p-каналь­ный тран­зистор зак­рыт, а ниж­ний n-каналь­ный открыт, из‑за чего он дает на выходе 0 В. Цепь замыка­ется, и вер­хний све­тоди­од загора­ется. При подаче нуля открыт p-каналь­ный MOSFET, который выда­ет на выходе чет­кую еди­ницу.

Соб­ранный на бред­борде вен­тиль NOT выг­лядит как на фото.

NOR на MOSFET-транзисторах

Сле­дующая нес­ложная схе­ма — ИЛИ‑НЕ. Для нее нам пот­ребу­ется в два раза боль­ше тран­зисто­ров, чем для пре­дыду­щей:

• два p-каналь­ных MOSFET-тран­зисто­ра;
• два n-каналь­ных MOSFET-тран­зисто­ра;
• ре­зис­тор с соп­ротив­лени­ем от 150 до 360 Ом;
• све­тоди­од.

Таб­лица истиннос­ти — один из глав­ных инс­тру­мен­тов при про­екти­рова­нии схем. Еще раз пос­мотрев на таб­лицу ИЛИ‑НЕ, видим, что еди­ница на выходе будет толь­ко в том слу­чае, если на обо­их вхо­дах логичес­кий ноль. Сде­лать про­вер­ку такого усло­вия мож­но с помощью пос­ледова­тель­ного под­клю­чения двух p-каналь­ных тран­зисто­ров, которые, как нам уже извес­тно, отлично фор­миру­ют еди­ницу на выходе. При таком под­клю­чении если на вхо­дах обо­их тран­зисто­ров будет ноль, то через них про­течет ток. Но если хотя бы один из них будет зак­рыт, то ток не смо­жет течь к конеч­ному выходу всей схе­мы.

Те­перь смот­рим в таб­лицу истиннос­ти и видим, что логичес­кий ноль на ее выходе появ­ляет­ся тог­да, ког­да хотя бы на одном из вхо­дов уро­вень нап­ряжения высокий — HIGH. Элек­трон­ный при­бор, откры­вающий­ся еди­ницей и переда­ющий на выход ноль, собира­ется однознач­но на n-каналь­ных тран­зисто­рах. Соб­рать такой при­бор лег­ко при помощи парал­лель­ного под­клю­чения двух n-каналь­ных тран­зисто­ров, соеди­нив их сто­ки как общий выход, а исто­ки соеди­нить и под­клю­чить к зем­ле, то есть к минусу питания. Таким обра­зом, еди­ница на любом из вхо­дов тран­зисто­ров откро­ет его, и ток потечет от минуса к выходу.

Со­еди­нив вмес­те две пре­дыду­щие схе­мы, мы получим рабочий вен­тиль ИЛИ‑НЕ на МОП‑тран­зисто­рах.

Схема NAND на транзисторах

Для сбор­ки этой схе­мы нам пот­ребу­ются те же самые ком­понен­ты, что и для пре­дыду­щей.

Заг­лянув в таб­лицу истиннос­ти, видим, что еди­ница на выходе этой схе­мы соз­дает­ся при наличии хотя бы на одном из вхо­дов логичес­кого нуля. Как мы уже поняли, еди­ница на выходе фор­миру­ется с помощью p-каналь­ных тран­зисто­ров, усло­вие «хотя бы на одном» реали­зует­ся с помощью парал­лель­ного под­клю­чения.

Низ­кий уро­вень нап­ряжения (LOW) на выходе соз­дает­ся при усло­вии, что на всех вхо­дах вен­тиля HIGH. Ноль мы фор­миру­ем n-каналь­ными тран­зисто­рами, а стро­гое усло­вие «если на всех вхо­дах» реали­зуем с помощью пос­ледова­тель­ного под­клю­чения этих тран­зисто­ров.

В ито­ге, соб­рав две ком­бинации воеди­но, получа­ем такую схе­му.

Схемы OR и AND на полевых транзисторах

Ес­ли срав­нить таб­лицы истиннос­ти ИЛИ‑НЕ и ИЛИ, мож­но заметить, что зна­чения их выходов вза­имно инверти­рова­ны. Это зна­чит, что вен­тиль NOR мы можем прев­ратить в OR, прос­то добавив к выходу вен­тиль NOT. Так­же этот спо­соб работа­ет в обратную сто­рону: ИЛИ мож­но лег­ко прев­ратить в ИЛИ‑НЕ.

Сов­местив NOR и инвертор, получа­ем такую схе­му.

Ана­логич­ным обра­зом инверти­руя NAND, мы прев­раща­ем его в логичес­кое И.

Заключение

В этой статье мы разоб­рали соз­дание самых базовых бло­ков циф­ровых схем. Конеч­но, это очень малая часть такой обширной темы, как элек­тро­ника. К тому же у изу­чен­ных нами вен­тилей может быть и три вхо­да, и четыре, а то и боль­ше. Все это усложня­ет самос­тоятель­ное про­екти­рова­ние схем логичес­ких эле­мен­тов. Под­водя итог, мож­но выделить нес­коль­ко пра­вил и советов по соз­данию вен­тилей циф­ровой логики на МОП‑тран­зисто­рах:

• На p-каналь­ных тран­зисто­рах реали­зуют­ся элек­три­чес­кие цепи, в которых совокуп­ность вход­ных сиг­налов при­водит в еди­нице на выходе.
• На n-каналь­ных тран­зисто­рах соз­дают­ся цепи, в которых совокуп­ность вход­ных сиг­налов фор­миру­ет низ­кое нап­ряжение на выходе.
• Стро­гое усло­вие «если на всех вхо­дах схе­мы находит­ся опре­делен­ный уро­вень нап­ряжения» соз­дает­ся с помощью пос­ледова­тель­ного под­клю­чения тран­зисто­ров.
• Ус­ловие «хотя бы на одном вхо­де» соз­дает­ся с помощью парал­лель­ного под­клю­чения тран­зисто­ров.

РЕКОМЕНДУЕМ:
Основы цифровой схемотехники

Изу­чив схе­мотех­нику, ты смо­жешь разоб­рать­ся в устрой­стве сов­ремен­ной элек­тро­ники, луч­ше понять, как работа­ет твой компь­ютер, и дру­гие слож­ные на пер­вый взгляд вещи!