ٹرانزسٹر کا استعمال کرتے ہوئے منطقی دروازے کیسے بنائیں

اس پوسٹ میں ہم سیکھیں گے کہ ڈسکریٹ ٹرانزسٹرز کا استعمال کرتے ہوئے NOT, AND, NAND, OR, اور NOR منطقی دروازے کیسے بنائے جاتے ہیں۔ ٹرانزسٹر لاجک گیٹس کے استعمال کا سب سے بڑا فائدہ یہ ہے کہ وہ 1.5 V سے کم وولٹیج کے ساتھ بھی کام کر سکتے ہیں۔

کچھ الیکٹرانک ایپلی کیشنز میں دستیاب وولٹیج TTL یا یہاں تک کہ CMOS ICs کے لیے ناکافی ہو سکتا ہے۔ یہ خاص طور پر ان گیجٹس کے لیے درست ہے جو بیٹریوں پر چلتے ہیں۔ اس میں کوئی شک نہیں کہ آپ کے پاس ہمیشہ 3 وولٹ کا لاجک آئی سی آپشن ہوتا ہے۔ تاہم، یہ پرجوش یا تجربہ کار کے لیے ہمیشہ آسانی سے قابل رسائی نہیں ہوتے ہیں، اور یہ اپنی متعین وولٹیج کی وضاحتوں سے نیچے کام نہیں کرتے ہیں (عام طور پر 2.5 وولٹ DC سے نیچے)۔

مزید برآں، بیٹری سے چلنے والی ایپلی کیشن میں صرف ایک 1.5 وولٹ بیٹری کے لیے جگہ ہوسکتی ہے۔ ٹھیک ہے، پھر آپ کیا کرنے جا رہے ہیں؟ عام طور پر آئی سی لاجک گیٹس ٹرانجسٹرائزڈ لاجک گیٹس سے تبدیل کیا جا سکتا ہے۔ ہر مخصوص لاجک گیٹ کے لیے، عام طور پر صرف دو ٹرانزسٹرز کی ضرورت ہوتی ہے، اور ایک عام NOT گیٹ انورٹر لاجک کے لیے، صرف ایک ٹرانزسٹر کی ضرورت ہوتی ہے۔

ایف ای ٹی بمقابلہ بائپولر ٹرانزسٹر

فیلڈ ایفیکٹ ٹرانزسٹرز (FETs) بمقابلہ دوئبرووی ٹرانجسٹر : کم وولٹیج لاجک سرکٹس کے لیے کون سا بہتر آپشن ہے؟ کی ایک بڑی خصوصیت حقائق یہ ہے کہ ان کی 'آن' مزاحمت ناقابل یقین حد تک کم ہے۔ مزید برآں، انہیں بہت کم گیٹ ٹرن آن کرنٹ کی ضرورت ہے۔

تاہم، انتہائی کم وولٹیج ایپلی کیشنز میں ان کی ایک حد ہے۔ عام طور پر، گیٹ وولٹیج کی حد ایک وولٹ یا اس سے زیادہ ہوتی ہے۔ مزید برآں، دستیاب وولٹیج FET کی زیادہ سے زیادہ ورکنگ رینج سے کم ہو سکتا ہے اگر گیٹ کے ساتھ کرنٹ کو محدود کرنے والا یا پل-ڈاؤن ریزسٹر منسلک ہو۔

اس کے برعکس، بائی پولر سوئچنگ ٹرانزسٹرز کو انتہائی کم وولٹیج، واحد بیٹری ایپلی کیشنز میں فائدہ ہوتا ہے کیونکہ انہیں آن کرنے کے لیے صرف 0.6 سے 0.7 وولٹ کی ضرورت ہوتی ہے۔

مزید برآں، عام FETs کی اکثریت، جو عام طور پر آپ کے قریبی الیکٹرانکس اسٹور پر ببل پیک میں فروخت ہوتی ہیں، اکثر دو قطبی ٹرانجسٹروں سے زیادہ مہنگی ہوتی ہیں۔ اس کے علاوہ، دو قطبی ٹرانجسٹروں کا ایک بڑا پیکٹ عام طور پر FETs کے ایک جوڑے کی قیمت میں خریدا جا سکتا ہے۔

ایف ای ٹی ہینڈلنگ کو بائی پولر ٹرانزسٹر ہینڈلنگ کے مقابلے میں نمایاں طور پر زیادہ دیکھ بھال کی ضرورت ہوتی ہے۔ الیکٹروسٹیٹک اور عام تجرباتی غلط استعمال FETs کو خاص طور پر نقصان کا شکار بناتا ہے۔ جلے ہوئے اجزا تجربات یا اختراع کی خوشگوار، تخلیقی شام کو برباد کر سکتے ہیں، ڈیبگنگ کے جذباتی درد کو نہ بھولیں۔

سوئچنگ ٹرانزسٹر کی بنیادی باتیں

اس مضمون میں بیان کردہ منطقی سرکٹ کی مثالیں دو قطبی NPN ٹرانزسٹرز کا استعمال کرتی ہیں کیونکہ وہ سستی ہیں اور انہیں خصوصی ہینڈلنگ کی ضرورت نہیں ہے۔ آلے یا اس کو سپورٹ کرنے والے پرزوں کو نقصان پہنچانے سے بچنے کے لیے، اپنے سرکٹ کو جوڑنے سے پہلے مناسب حفاظتی اقدامات کیے جائیں۔

اگرچہ ہمارے سرکٹس بنیادی طور پر Bipolar Junction Transistors (BJTs) پر مرکوز ہیں، لیکن وہ FET ٹیکنالوجی کا استعمال کرتے ہوئے اتنی ہی اچھی طرح سے تعمیر کیے جا سکتے تھے۔

بنیادی سوئچ سرکٹ ایک سادہ ٹرانزسٹر ایپلی کیشن ہے، جو سب سے آسان ڈیزائنوں میں سے ایک ہے۔

سنگل ٹرانجسٹر کے ساتھ ناٹ گیٹ بنانا

ٹرانزسٹر سوئچ کی اسکیمیٹک شکل 1 میں دکھائی گئی ہے۔ اس پر منحصر ہے کہ اسے کسی خاص ایپلی کیشن میں کیسے لاگو کیا جاتا ہے، سوئچ کو یا تو کم رکھا گیا ہے یا عام طور پر کھلا دیکھا جا سکتا ہے۔

ایک سادہ ناٹ گیٹ انورٹر لاجک گیٹ تصویر 1 میں دکھائے گئے سیدھے سوئچنگ سرکٹ کے ذریعے بنایا جا سکتا ہے (جہاں پوائنٹ A ان پٹ ہے)۔ ایک NOT گیٹ اس طرح کام کرتا ہے کہ اگر ٹرانزسٹر کی بنیاد (پوائنٹ A؛ Q1) کو کوئی DC تعصب فراہم نہیں کیا جاتا ہے، تو یہ بند رہے گا، جس کے نتیجے میں آؤٹ پٹ پر اعلی یا منطق 1 (V+ لیول کے برابر) ہو جائے گا۔ نقطہ B)۔

تاہم، ٹرانزسٹر اس وقت چالو ہوتا ہے جب Q1 کی بنیاد کو مناسب تعصب فراہم کیا جاتا ہے، سرکٹ کے آؤٹ پٹ کو کم یا منطق 0 (تقریبا صفر پوٹینشل کے برابر) کی طرف دھکیلتا ہے۔ ٹرانزسٹر، نامزد Q1، ایک عام مقصد کے دو قطبی ٹرانجسٹر، یا BC547 ہے، جو عام طور پر کم پاور سوئچنگ اور ایمپلیفائر ایپلی کیشنز میں استعمال ہوتا ہے۔

کوئی بھی ٹرانزسٹر جو اس کے برابر ہے (جیسے 2N2222، 2N4401، وغیرہ) کام کرے گا۔ کم کرنٹ ڈرین اور مطابقت کے درمیان سمجھوتہ کرنے کے لیے R1 اور R2 کی اقدار کا انتخاب کیا گیا تھا۔ تمام ڈیزائنوں میں، ریزسٹرس تمام 1/4 واٹ، 5% یونٹ ہیں۔

سپلائی وولٹیج 1.4 اور 6 وولٹ ڈی سی کے درمیان سایڈست ہے۔ نوٹ کریں کہ جب لوڈ ریزسٹر اور آؤٹ پٹ کنکشن ٹرانجسٹر کے ایمیٹر میں شفٹ کیا جاتا ہے تو سرکٹ بفر کی طرح کام کر سکتا ہے۔

سنگل BC547 BJT کا استعمال کرتے ہوئے بفر گیٹ بنانا

وولٹیج فالوور، یا بفر ایمپلیفائر، ایک قسم کی منطق سوئچنگ کنفیگریشن ہے جو شکل 2 میں دکھائی گئی ہے۔ یہ واضح رہے کہ لوڈ ریزسٹر اور آؤٹ پٹ ٹرمینل کو اس سرکٹ میں ٹرانزسٹر کے کلکٹر سے اس کے ایمیٹر میں منتقل کر دیا گیا ہے، جو اس ڈیزائن اور تصویر 1 میں دکھائے گئے ڈیزائن کے درمیان بنیادی فرق۔

لوڈ ریزسٹر اور آؤٹ پٹ ٹرمینل کو BJT کے دوسرے سرے پر منتقل کر کے ٹرانزسٹر کا کام بھی 'پلٹا' جا سکتا ہے۔

دوسرے الفاظ میں، جب سرکٹ کے ان پٹ کو کوئی تعصب فراہم نہیں کیا جاتا ہے، تو سرکٹ کا آؤٹ پٹ کم رہتا ہے۔ تاہم، جب سرکٹ کے ان پٹ کو مناسب وولٹیج کا تعصب فراہم کیا جاتا ہے، تو سرکٹ کا آؤٹ پٹ زیادہ ہو جاتا ہے۔ (یہ بالکل اس کے برعکس ہے جو پہلے کے سرکٹ میں ہوتا ہے۔)

ٹرانزسٹر کا استعمال کرتے ہوئے دو ان پٹ لاجک گیٹس کو ڈیزائن کرنا

اور دو ٹرانزسٹروں کا استعمال کرتے ہوئے گیٹ

شکل 3 یہ بتاتا ہے کہ کس طرح ایک بنیادی دو ان پٹ اور گیٹ کو بفروں کے جوڑے کا استعمال کرتے ہوئے بنایا جا سکتا ہے، اس گیٹ کے لیے سچائی کی میز کے ساتھ۔ سچائی کی میز اس بات کی وضاحت کرتی ہے کہ ان پٹ کے ہر الگ سیٹ کے آؤٹ پٹ کے نتائج کیا ہوں گے۔ پوائنٹس A اور B سرکٹ کے ان پٹ کے طور پر استعمال ہوتے ہیں، اور پوائنٹ C سرکٹ کے آؤٹ پٹ کے طور پر کام کرتا ہے۔

سچ ٹیبل سے یہ نوٹ کرنا ضروری ہے کہ ان پٹ پیرامیٹرز کے صرف ایک سیٹ کے نتیجے میں لاجک-ہائی آؤٹ پٹ سگنل ہوتا ہے، جب کہ دیگر تمام ان پٹ امتزاج کا نتیجہ لاجک-کم آؤٹ پٹ ہوتا ہے۔ شکل 3 میں AND گیٹ کا آؤٹ پٹ V+ سے تھوڑا نیچے رہتا ہے جب یہ اونچا ہوجاتا ہے۔

یہ دو ٹرانجسٹروں (Q1 اور Q2) کے درمیان وولٹیج کی کمی کی وجہ سے ہوتا ہے۔

دو ٹرانزسٹروں کا استعمال کرتے ہوئے NAND گیٹ

شکل 3 میں سرکٹ کی ایک اور قسم اور متعلقہ سچائی جدول کو شکل 4 میں دکھایا گیا ہے۔ سرکٹ آؤٹ پٹ (پوائنٹ C) اور آؤٹ پٹ ریزسٹر کو اوپری ٹرانزسٹر (Q1) کلیکٹر میں شفٹ کرکے NAND گیٹ میں بدل جاتا ہے۔

چونکہ R1 کے نچلے حصے کو زمین پر کھینچنے کے لیے Q1 اور Q2 دونوں کو آن کرنے کی ضرورت ہے، اس لیے آؤٹ پٹ C پر وولٹیج کا نقصان غیر معمولی ہے۔

اگر ٹرانزسٹر AND یا ٹرانزسٹر NAND گیٹس کو دو سے زیادہ ان پٹ کی ضرورت ہو تو، تین، چار، وغیرہ، ان پٹ AND یا NAND گیٹس فراہم کرنے کے لیے دکھائے گئے ڈیزائنوں میں مزید ٹرانزسٹر اچھی طرح سے منسلک ہو سکتے ہیں۔

تاہم، انفرادی ٹرانزسٹروں کے وولٹیج کے نقصانات کی تلافی کے لیے، V+ کو اسی طرح بڑھایا جانا چاہیے۔

یا دو ٹرانزسٹروں کا استعمال کرتے ہوئے گیٹ

دو ان پٹ کے ساتھ لاجک سرکٹ کی ایک اور شکل OR- گیٹ سرکٹ کے سچ ٹیبل کے ساتھ، شکل 5 میں دیکھی جا سکتی ہے۔

جب ان پٹ A یا ان پٹ B کو زیادہ دھکیل دیا جاتا ہے تو سرکٹ کا آؤٹ پٹ زیادہ ہوتا ہے، تاہم کاسکیڈڈ ٹرانزسٹرز کی وجہ سے، وولٹیج ڈراپ 0.5 وولٹ سے زیادہ ہوتا ہے۔ ایک بار پھر، دکھائے گئے اعداد و شمار بتاتے ہیں کہ ٹرانزسٹر گیٹ کو چلانے کے لیے کافی وولٹیج اور کرنٹ موجود ہے۔

دو ٹرانزسٹروں کا استعمال کرتے ہوئے NOR گیٹ

شکل 6 ہماری فہرست کے اگلے گیٹ کو دکھاتا ہے، ایک دو ان پٹ NOR گیٹ، اس کے سچ ٹیبل کے ساتھ۔ اسی طرح جیسے AND اور NAND گیٹس ایک دوسرے کو جواب دیتے ہیں، OR اور NOR سرکٹس بھی ایسا ہی کرتے ہیں۔

دکھائے گئے گیٹس میں سے ہر ایک کم از کم ایک یا زیادہ ملحقہ ٹرانزسٹر گیٹس کو چالو کرنے کے لیے کافی ڈرائیو فراہم کرنے کے قابل ہے۔

ٹرانجسٹر لاجک گیٹ ایپلی کیشنز

آپ اوپر بیان کردہ ڈیجیٹل سرکٹس کے ساتھ کیا کرتے ہیں جو اب آپ کے پاس ہیں؟ کوئی بھی چیز جسے آپ روایتی TTL یا CMOS گیٹس سے پورا کر سکتے ہیں، لیکن سپلائی وولٹیج کی پابندیوں کی فکر کیے بغیر۔ یہاں ٹرانزسٹر لاجک گیٹس کی چند ایپلی کیشنز کام میں ہیں۔

ڈیملٹیپلیکسر سرکٹ

تین NOT گیٹس اور دو NAND سرکٹس کے ساتھ 1-of-2 demultiplexer تصویر 7 میں نظر آتا ہے۔ مناسب آؤٹ پٹ کا انتخاب ون بٹ 'ایڈریس ان پٹ' کا استعمال کرتے ہوئے کیا جاتا ہے، جو کہ OUTPUT1 یا OUTPUT2 ہو سکتا ہے، جبکہ ڈرائیونگ کی معلومات کا اطلاق ہوتا ہے۔ ڈیٹا ان پٹ کا استعمال کرتے ہوئے سرکٹ میں۔

جب ڈیٹا کی شرح 10 کلو ہرٹز سے کم رکھی جاتی ہے تو سرکٹ زیادہ مؤثر طریقے سے کام کرتا ہے۔ سرکٹ کی فعالیت سیدھی ہے۔ ڈیٹا ان پٹ مطلوبہ سگنل کے ساتھ فراہم کیا جاتا ہے، جو Q3 کو آن کر دیتا ہے اور Q3 کے کلکٹر میں آنے والے ڈیٹا کو الٹ دیتا ہے۔

اگر ADDRESS ان پٹ کم ہے (گراؤنڈ یا کوئی سگنل فراہم نہیں کیا گیا ہے) تو Q1 کا آؤٹ پٹ زیادہ چلایا جاتا ہے۔ Q1 کے کلکٹر پر، ہائی آؤٹ پٹ کو دو راستوں میں تقسیم کیا گیا ہے۔ پہلے راستے میں، Q1 کا آؤٹ پٹ Q5 کے بیس (دو ان پٹ NAND گیٹ کی ٹانگوں میں سے ایک) کو فراہم کیا جاتا ہے، اسے آن کر کے Q4 اور Q5 پر مشتمل NAND گیٹ کو 'فعال' کرتا ہے۔

دوسرے راستے میں، Q1 کا ہائی آؤٹ پٹ بیک وقت دوسرے NOT گیٹ (Q2) کے ان پٹ میں فراہم کیا جاتا ہے۔ ڈبل الٹ جانے کے بعد، Q2 کا آؤٹ پٹ کم ہو جاتا ہے۔ اس کم کو Q7 کی بنیاد فراہم کی جاتی ہے (دوسرے NAND گیٹ کا ایک ٹرمینل، Q6 اور Q7 سے بنا ہے)، اس طرح NAND سرکٹ کو بند کر دیا جاتا ہے۔

ڈیٹا ان پٹ پر لاگو کوئی بھی معلومات یا سگنل ان حالات میں OUTPUT1 پر پہنچتا ہے۔ متبادل طور پر، اگر ADDRESS ان پٹ کو ایک اعلی سگنل دیا جاتا ہے تو صورتحال الٹ جاتی ہے۔ مطلب، سرکٹ کو فراہم کردہ کوئی بھی معلومات OUTPUT2 پر دکھائی دے گی کیونکہ Q4/Q5 NAND گیٹ غیر فعال ہے اور Q6/Q7 NAND گیٹ فعال ہے۔

آسکیلیٹر سرکٹ (کلاک جنریٹر)

ہماری اگلی ٹرانجسٹر لاجک گیٹ ایپلی کیشن، جس کی تصویر 8 میں دی گئی ہے، ایک بنیادی کلاک جنریٹر ہے (جسے آسکیلیٹر بھی کہا جاتا ہے) تین عام ناٹ گیٹ انورٹرز سے بنایا گیا ہے (جن میں سے ایک فیڈ بیک ریزسٹر، R2 کا استعمال کرتے ہوئے متعصب ہے، جو اسے اس میں ڈالتا ہے۔ ینالاگ علاقہ)۔

آؤٹ پٹ کو مربع کرنے کے لیے، ایک تیسرا NOT گیٹ (Q3) شامل کیا گیا ہے جو آسکیلیٹر آؤٹ پٹ کو تکمیل فراہم کرتا ہے۔ سرکٹ کی آپریٹنگ فریکوئنسی کو تبدیل کرنے کے لیے C1 کی قدر میں اضافہ یا کمی کی جا سکتی ہے۔ آؤٹ پٹ ویوفارم میں V+ کے ساتھ 1.5 وولٹ DC پر تقریباً 7 kHz کی فریکوئنسی ہوتی ہے، اشارہ شدہ اجزاء کی قدروں کو استعمال کرتے ہوئے۔

آر ایس لیچ سرکٹ

تصویر 9 ہمارا آخری ایپلیکیشن سرکٹ دکھاتا ہے، ایک RS کنڈی جو دو NOR گیٹس سے بنا ہے۔ Q اور Q آؤٹ پٹس پر صحت مند آؤٹ پٹ ڈرائیو کو یقینی بنانے کے لیے، ریزسٹرس R3 اور R4 کو 1k ohms میں ایڈجسٹ کیا جاتا ہے۔

آر ایس لیچ کا سچ ٹیبل اسکیمیٹک ڈیزائن کے ساتھ دکھایا گیا ہے۔ یہ متعدد قابل اعتماد، کم وولٹیج، ڈیجیٹل، لاجک گیٹ سرکٹس کی چند مثالیں ہیں جو انفرادی ٹرانزسٹروں کا استعمال کرتے ہوئے بنائے جا سکتے ہیں۔

ٹرانزسٹرائزڈ منطق کا استعمال کرنے والے سرکٹس کو بہت سارے حصوں کی ضرورت ہوتی ہے۔

ان تمام کم وولٹیج ٹرانجسٹرائزڈ لاجک سرکٹس کا استعمال کرتے ہوئے بہت سے مسائل حل کیے جا سکتے ہیں۔ تاہم، ان میں سے بہت سارے ٹرانجسٹرائزڈ گیٹس کو استعمال کرنا نئے مسائل کا باعث بن سکتا ہے۔

ٹرانزسٹورائزز اور ریزسٹرز کی تعداد کافی زیادہ ہو سکتی ہے اگر آپ جو ایپلیکیشن بنا رہے ہیں اس میں گیٹس کی ایک بڑی مقدار ہے، جو قیمتی جگہ پر قابض ہے۔

اس مسئلے کو حل کرنے کا ایک طریقہ ٹرانزسٹر ارے (پلاسٹک میں بند بہت سے ٹرانزسٹرز) اور SIP (سنگل ان لائن پیکیج) ریزسٹرس کا استعمال کرنا ہے۔

مندرجہ بالا نقطہ نظر پی سی بی پر ایک ٹن جگہ بچا سکتا ہے جبکہ کارکردگی کو ان کے پورے سائز کے مساوی کے برابر برقرار رکھتا ہے۔ ٹرانزسٹر اری سرفیس ماؤنٹ، 14 پن تھرو ہول، اور کواڈ پیک پیکیجنگ میں پیش کی جاتی ہیں۔

زیادہ تر سرکٹس کے لیے، ٹرانزسٹر کی اقسام کو ملانا کافی قابل قبول ہو سکتا ہے۔

بہر حال، یہ مشورہ دیا جاتا ہے کہ تجربہ کار ٹرانزسٹرائزڈ لاجک سرکٹس بنانے کے لیے ایک ہی قسم کے ٹرانزسٹر کے ساتھ کام کرے (یعنی اگر آپ BC547 کا استعمال کرتے ہوئے گیٹ کا ایک سیکشن بناتے ہیں، تو دوسرے باقی گیٹس کو بھی بنانے کے لیے اسی BJT کو استعمال کرنے کی کوشش کریں)۔

استدلال یہ ہے کہ مختلف ٹرانزسٹر کی مختلف خصوصیات کچھ مختلف ہو سکتی ہیں اور اس طرح مختلف طریقے سے برتاؤ کر سکتے ہیں۔

مثال کے طور پر، کچھ ٹرانزسٹر کے لیے بیس سوئچ آن کی حد دوسرے سے زیادہ یا چھوٹی ہو سکتی ہے، یا کسی کو مجموعی طور پر موجودہ فائدہ ہو سکتا ہے جو تھوڑا زیادہ یا کم ہے۔

دوسری طرف، ایک ہی قسم کے ٹرانزسٹر کے بلک باکس خریدنے کی قیمت بھی کم ہو سکتی ہے۔ آپ کے سرکٹس کی کارکردگی میں اضافہ ہو گا اگر آپ کے منطقی دروازے مماثل ٹرانزسٹروں کا استعمال کرتے ہوئے بنائے گئے ہیں، اور اس منصوبے کے مکمل طور پر بالآخر زیادہ فائدہ مند ثابت ہوں گے۔