Tranzisztoros számítógép áramkörök

2014-06-01

 

Valahol már írtam, hogy megörültek a konstruktőrök a tranzisztoroknak, mert kisebb volt mint az elektroncső, kevesebb energiát fogyasztott és megbízhatóban is működött. Ha utána olvasunk a mai technikának, leírják, hogy sok millió tranzisztor működik egyetlen chip-be integrálva. A sok millió mérnök, konstruktőr, programozó az utóbbi 60 évben azon dolgozott, hogy az áramkörök minnél kisebbek legyenek, kevesebb energiát igényeljenek, megbízhatóban működjenek, és egyre bonyolultabb feladatokat egyre gyorsabban tudjank elvégezni. Most bemutatom azokat az alapáramköröket, amelyekből a számítógépek felépülnek. Ne ijedjünk meg, nagyon egyszerű kis áramkörök ezek.

A konstruktőrök a számítógép áramkörökhöz a kettes számrendszert választották. Ez azért volt célszeű, mert áramkörileg legegyszerübben a kettes számrendszer valósítható meg. Egy lámpa vagy ég, vagy nem. Egy kapcsoló vagy be van kapcsolva, vagy nem. Nekünk egy LED (világító dióda) fog segíteni a kijelzésben. Ha a LED világít, az fogja az 1-e jelenteni, ha nem világít, az pedig a 0-t. Már korábban volt róla szó, hogy a LED áramát korlátozni kell egy vele sorba kapcsolt ellenálással.

Talán a legegyszerűbb áramkör az inverter. Az elektronikában az inverer megnevezést többféle dologra is használják. Szóval pontosítsunk. A számítógépek alapáramköreit kapu áramköröknek, vagy röviden kapuknak, hívják. A legegszerűbb közölük az inverter, magyarul nem kapu. Annyira egyszerű, hogy az ember így elsőre nem is érti, minek kell ez? Egy bemenete van, és a kimenete pontosan fordított állapotú, mint a bemenete. Ha a bemenetén 1 van, a kimenetén 0 van, és fordítva. Azért majd ha belebonyoódunk a logikai áramkörökbe, kiderül, hogy nagyon is szükségünk van erre funkcióra.

Lusta voltam külön-külön megrajzolni a leggyakoribb kapuáramköröket. Az ábra bal oldalán látható a kapuáramkörök IEC szabványos jele, azután az úgynevezett igazság táblázatuk, majd az amerikai jelölésük, amivel szintén lehet találkozni. A bogyó a negálást (invertálást, fordított értéket) jelöli.

Nézzük az áramkört! Egy kétállású, váltó kapcsolót, úgynevezett morse kapcsolót használunk. A 0 állásában az áramkör bemenetét a földre kapcsoljuk (elem negatív pólusa). 1 állásában ellenálláson keresztül +9V-ra kapcsoljuk a tranzisztor bázisát, amelyen így áram fog keresztül folyni és kinyit. A kollektora így közel földre fog kerülni, vagyis a LED nem fog nyitófeszültséget kapni, nem fog áram folyni rajta keresztül, vagyis nem fog világítani. 0 állásban a tranzisztor nem fog nyitóáramot kapni, lezár, és így az ellenállásokon keresztül az áram a LED-en fog keresztülfolyni, ami világítani fog.

Ha jól megnézzük, egy egész ellenállást kispórolhatunk az áramkörből.

Hogy ne csak elmélet legyen, itt látható a megépített inverter.

A következő áramkörünk nagyjából úgy néz ki, mint két párhuzamosan kapcsolt inverter. Vizsgáljuk meg a működését! Bármelyik kapcsolót 1-be kapcsoljuk, a megfelelő tranzisztor kinyit, és LED-et leföldeli, vagyis a LED el fog aludni. Ha megnézzük a fenti kapuáramkörök igazság tábláit, láthatjuk, hogy ez a vagy-nem kapu. Megjegyzem, egy kapuáramkörnek lehet 3-4, vagy akár több bemenete is.

Az alábbi áramkörben a két tranzisztort sorba kapcsoltuk. Csak akkor tudják a LED-et leföldelni, ha mindkét tranzisztor kinyit, vagyis ha mindkét bemenetre 1-et kapcsolunk. A fenti igazság táblákból kiderül, hogy ez az és-nem kapu. Megjegyzem, ez a legelterjedtebb kapuáramkör. 2 bemenet esetén összesen 16 féle kapuáramkör konstruálható, de ezek közül jelentősége még a kizáró-vagy (XOR) és ennek negáltja a megengedő és (XNOR) kapunak van. Több és-nem kapu összekombinálásával kialakítható az összes kapuáramkör variáció.

Végezetül nézzük meg hogyan lehet 1 bit-nyi információt eltárolni. Az alábbi áramkör egy R nem, S nem tároló, a tároló áramkörök legegyszerűbbike. A kis karikákat most a bemenetnél látjuk. Ezek jelezik, hogy a bemenetek 0-ra aktívak. A S bemenete jelentése, hogy set, azaz ezzel lehet 1-be kapcsolni a tárolót. Ha az S kapcsolót lenyomjuk, a LED világítani fog, egészen addig, amíg az R kapcsolót le nem nyomjuk. Az R jelentése reset. Az áramkör hátránya, hogy bekapcsolást követően nem lehet biztosan tudni, hogy az áramkör milyen állapotba áll fel, ezért a használatba vétel elött az R gombbal alapba kell állítani.

Ezekkel az áramkörökkel azért még nem lehet egy komplett számítógépet felépíteni, de talán sikerült betekintést nyerni néhány alapkapcsolásba. Az első tranzisztort a Bell Laboratóriumban készítették 1947-ben. Az első integrált áramkört (IC) a Texas Instrumentnél készítették 1958-ban. A Texas piacvezető volt a digitális IC-k területén, amelyekből a számítógépek akkortájt épültek. Mindenki az ő jelölésük alapján gyártotta 74xx IC-ket, amelyek úgynevezett TTL (tranzistor-tranzistor logic) családba tartoztak. Ezek +5V tápfeszről jártak. Azóta a mobil eszközök, meg a technológiai lehetőségek bővülésével megjelentek 3,3V, 2,7V, meg kisebb feszültségről üzemelő digitális áramkörök is. Sokmindent lehetne még írni, de valahol csak be kell fejezzem :(.