Porta lógica não/not com transistor bipolar
A função da lógica digital não/not faz com que uma situação qualquer seja invertida: se algo esta aceso ficará apagado, se algo esta em cima ficará em baixo,se algo esta aberto ficará fechado,etc. Se tratando da eletrônica digital, isto quer dizer que se na entrada do circuito tivermos nível lógico alto/VCC, teremos na saída nível lógico baixo/0V ou qualquer outro nível de tensão considerado como nível baixo.
Primitivamente, partindo já do transistor bipolar de junção pronto e mais alguns componentes auxiliares podemos construir um circuito com esta função. Um modelo, utilizado no vídeo desta postagem, esta representado na imagem a seguir:
Neste modelo, as setas para cima representam VCC, que no caso prático do vídeo foi utilizado um nível de tensão de +5Vcc. O transistor BC548BP esta funcionando ora na região de corte ora na região de saturação. Isto é garantido graças ao seu resistor de base que, devido a tensão de base (5Vcc - 0,6Vbe), proporciona uma corrente de base de aproximadamente 50uA. Porém, isto permite uma "fraca saturação", considerando o pior ganho na pior situação deste transistor: 90. Sua corrente de base, dada por Ib = (Vcc - Vbe)/R1, é de 50uA. Considerando o pior ganho mencionado na folha de dados do BC548, a corrente de coletor seria no máximo 50uA*90 = 4,5mA. Note que a máxima corrente de coletor determinada pelo resistor de coletor R3 seria de Ic = 5V/500ohms = 10mA, 2,2 vezes, aproximadamente, maior do que o pior ganho do BC548 poderia disponibilizar de corrente no coletor. Este resistor de base R1 não nos dá a certeza de saturação do transistor, porém diminui a corrente total exigida pelo circuito, o que num dispositivo integrado é essencial para haver baixo consumo de energia e baixa dissipação de potência. Todavia este circuito é funcional, haja vista as condições específicas para o pior ganho. Este circuito tem caráter didático. Na prática, deve-se escolher um resistor de base que, ao se considerar o menor ganho do transistor, permita uma corrente de coletor maior do que a máxima corrente de coletor determinada pelo resistor de coletor. No caso acima, o resistor de base deveria permitir uma corrente de base tal que, multiplicada pelo menor ganho, resultasse num valor maior do que a corrente determinada pelo resistor de coletor na malha do coletor, Ib.90 >= Ic tal que 50uA.90 >= 10mA. Assim haveria a certeza de saturação sem haver dissipação de potência maior do que a limite deste transistor, parâmetro principal na determinação do valor do resistor de coletor, neste caso.
O resistor R2 é o resistor que determina um nível lógico conhecido na entrada do circuito quando a chave não estiver pressionada (quando não houver sinal na entrada). Isto garante o zero na entrada e consequente um na saída. O valor é de 10kohms simplesmente por ser um resistor típico que permite uma corrente baixa se considerasse a máxima tensão permitida, +5Vcc neste caso. IR2 = 5V/10000ohms = 500uA.
Por que o transistor BJT inverte o sinal de saída na configuração de emissor comum? Pelo simples fato de ele trabalhar como uma chave: quando a chave fecha há um curto circuito entre o coletor e o emissor, assim a tensão cai até próximo de zero volt entre coletor emissor (num curto circuito a tensão entre os terminais curto circuitados é zero) quando ele esta saturado, ou seja, quando há tensão na base. Da mesma maneira, quando a chave esta aberta, a tensão é máxima entre seus terminais quando na base há ausência de tensão. Este é o motivo do BJT inverter os sinais na configuração de emissor comum. Há também a operação como "chave parcial" que "fecha mais ou menos" e que "abre mais ou menos", resultando em diferentes quedas de tensão entre coletor e emissor. Nesta situação o transistor BJT não opera na zona de corte e saturação, mas na zona ativa.
A corrente de saída deste modelo de porta inversora é determinada pelo valor do resistor de coletor e pela sua máxima potência. O resistor de coletor tem que suportar a potência dissipada nele por causa da corrente que nele passará quando o transistor estiver cortado. Esta corrente será a mesma corrente da carga ligada à saída do circuito.
Os circuitos integrados com esta função não usam esta simples configuração: é necessário um circuito isolador entre saída e entrada, semicondutores de baixa queda de tensão e diodos protetores de inversão de polaridade na entrada do circuito, como podemos observar no circuito equivalente do ci HD74LS04:
Repare nos tipos de diodos e transistores empregados: Diodos Schottky e transistores Schottky. Este tipo tem baixíssima queda de tensão, nos transistores permite a rápida dissipação das cargas da base e nos diodos permite uma queda de tensão direta baixíssima.
Acompanhe o vídeo da desintegração de forma equivalente deste CI:
