Warum müssen wir beim Bau eines ODER-Gatters Transistoren verwenden?

Warum müssen wir beim Bau eines ORGates Transistoren verwenden ? Wären wir nicht in der Lage, ohne Transistoren dasselbe Ergebnis zu erzielen, wenn wir nur die beiden Eingänge verbinden und den Ausgang lesen?

Was Sie beschreiben, wird als verdrahtete ODER- Verbindung bezeichnet. Dies ist in einigen Logikfamilien möglich, insbesondere bei ECL (Emitter Coupled Logic), jedoch nicht in den gängigsten (TTL und CMOS).

In CMOS ist dies nicht möglich, da bei einem niedrigen CMOS-Ausgang ein sehr kurzer Kurzschluss zwischen Ausgangspin und Masse entsteht. Und wenn es hoch ist, erzeugt es einen sehr nahen Kurzschluss von VDD durch den Chip zum Ausgangsstift.

Wenn Sie also zwei CMOS-Ausgänge und einen hohen und einen niedrigen Ausgang miteinander verbinden, würde ein Kurzschluss zwischen VDD und Masse auftreten, der einen hohen Strom verbrauchen und wahrscheinlich den einen oder anderen der beiden beteiligten Chips überhitzen würde.

Für TTL gibt es ein ähnliches Problem, aber die "Kurzschlüsse" vom Ausgangspin zu VDD oder Masse sind nicht ganz so kurz wie im CMOS.

Es gibt einen varianten Ausgabestil, Open Drain für CMOS oder Open Collector für TTL, der verdrahtete UND- Verbindungen anstelle von verdrahtetem ODER zulässt . Diese Ausgänge sind so ausgelegt, dass sie nur Strom nach Masse ableiten und keinen Ausgangsstrom erzeugen können, wenn sie sich nominell im hohen Zustand befinden. Diese werden normalerweise mit einem externen Pull-up-Widerstand verwendet, damit die Ausgangsspannung bei Bedarf tatsächlich den "hohen" Spannungspegel erreicht.

Hinweis: Open Collector oder Open Drain können für verdrahtetes ODER verwendet werden, wenn Sie Active-Low-Logik verwenden (niedrige Spannung steht für logisch 1, hohe Spannung steht für logisch 0).

Auf diese Weise können Sie "die Ausgänge verbinden"

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab}

Wenn Sie nur die Drähte anschließen, haben Sie die (ziemlich wahrscheinliche) Möglichkeit einer 0 und einer 1 zusammen. Da eine 0 gnd ist und eine 1 5 V ist (abhängig von den Chips, aber es ist ein Standard), würden Sie 5 V und gnd durch Drähte miteinander verbinden. Der Begriff dafür ist ein Kurzschluss!

Sie könnten Dioden für ein einfaches ODER-Gatter verwenden. Oder auch Widerstände. Die Probleme treten auf, wenn Sie dieses Gate an andere Gates oder andere Schaltkreise anschließen. Umgekehrt können Sie aus 2 Dioden ein UND-Gatter bauen. Wenn Sie jedoch versuchen, viele davon miteinander zu verbinden, erhalten Sie einen riesigen Schaltkreis, der nicht als kleine, sondern als ein großes Teil fungiert. Verbindungen, die nicht in Ihrem einfachen Gate-Plan enthalten sind, können im wirklichen Leben auftauchen und das vermasseln, was passieren soll.

Mit einem Transistor können Sie den Eingang vom Ausgang trennen. Der Ausgang eines Transistors kann nicht rückspeisen und seinen Eingang beeinflussen. Ein Relais wäre eine weitere Alternative, wenn auch langsamer. Da der Schalter den Elektromagneten nicht beeinflussen kann.

Frühe Logik war RTL oder DTL, Widerstandstransistorlogik oder Diodentransistorlogik. Zuerst wurden Widerstände, dann Dioden verwendet, um das Gate zu bilden, dann pufferte ein Transistor das Ergebnis, sodass das nächste verwendete Gate dieses nicht zu seinen Eingängen zurückführte.

Jetzt, da Transistoren auf Chips praktisch kostenlos sind, haben wir den Luxus, dass alles ordnungsgemäß gepuffert und getrennt wird. Normalerweise ist es das, was wir wollen. TTL-Logik!

Überlegen Sie, was passiert, wenn ein Eingang hoch und einer niedrig ist und Sie die beiden Eingänge verbinden. Es hängt davon ab, wie Sie Ihre Logikgatter bauen.

Wenn Ihre Logikgatter so ausgelegt sind, dass ein High wirklich hoch und ein Low wirklich tief gezogen wird (CMOS), dann ist dies ein Kurzschluss und etwas explodiert.

Wenn Ihre Logikgatter so ausgelegt sind, dass ein High "schwach" oder hochohmig ist (z. B. NMOS), ist der Ausgang niedrig, aber auch der andere Eingang (der hoch sein soll) muss niedrig sein, obwohl er niedrig ist sollte hoch sein, und dies hat eine Auswirkung auf andere Logikgatter, die den gleichen Eingang verwenden.

Es gibt einen analogen Ansatz:
Kombinieren Sie eine beliebige Anzahl von Eingängen (entweder 0 oder 5 Volt) mit Widerständen.
Wenn die Ergebnisspannung 0 ist, sind alle ausgeschaltet.
Wenn die Ergebnisspannung 5 ist, sind alle eingeschaltet.
Zwischenspannungen zeigen an, dass einige eingeschaltet und andere ausgeschaltet sind.
Beispiel: Wenn 4 Eingänge vorhanden sind, bedeutet 2,5 Volt, dass 2 an und 2 aus sind.

Ergebnis == 0: noch Tor
Ergebnis == 5: und Tor
Ergebnis! = 0: oder Tor
Ergebnis! = 5: und Tor

Sie benötigen keine Transistoren für die Eingänge, nur für den Ausgang, um die Spannung zu überprüfen und ein logisches Ergebnis von 0 oder 5 Volt wiederherzustellen.

Dies kann für einen analogen neuronalen Netzwerkknoten mit einer nichtlinearen Ausgabefunktion verwendet werden, die ein "weiches" Ergebnis aufweist, das möglicherweise nicht vollständig wahr oder falsch ist.

Nachdenklich:
Widerstände, die auf diese Weise verwendet werden, können die Logikgeschwindigkeit verlangsamen, da die den Widerständen folgenden Kapazitäten geladen oder entladen werden müssen, wenn sich die Eingänge ändern. Auch die Verwendung von Transistoren kann den Stromverbrauch erheblich reduzieren. Auf diese Weise verwendete Widerstände können bei einer Mischung von Eingangszuständen immer Strom verbrauchen. Bei Transistoren kann der Stromverbrauch grob durch die Verstärkung der Transistoren geteilt werden.

Bei einigen Logikelementen (alle Autotürschalter zünden die gleiche Lampe an) ist dies möglich, jedoch nicht zum Beispiel bei CMOS-Gates, da sie mit P- und N-Kanal-FET-Transistoren aufgebaut sind und daher einen definierten Hoch- und Niederspannungseingang benötigen, um den Ausgang bereitzustellen kann der Eingang nicht schweben gelassen werden. Das Verbinden von CMOS-Ausgängen funktioniert nicht.