|
Poorten zijn dé basisschakelingen van de digitale techniek. Wie heeft er nog nooit met een NAND-je of een OR-tje gewerkt? Er zijn vier basispoorten: AND, NAND, OR en NOT. Deze vier puur digitale schakelingen kunt u op een eenvoudige manier ook met een op-amp opbouwen. |
Achtergrondinformatie
De vier verschillende poorten
Wij hebben het in dit artikel over de eenvoudigste uitvoering van poorten, namelijk schakelingen met twee ingangen. De waarheidstabel van onderstaande figuur geeft het verband tussen de twee ingangsgrootheden en de uitgang van iedere poort. De twee ingangsgrootheden kunnen beide of 'L' zijn of 'H' zijn en dus bestaan er vier combinaties: 'L-L', 'L-H', 'H-L' en 'H-H'. De waarheidstabel geeft voor ieder van die vier toestanden de respons van de uitgang weer.
 |
| De waarheidstabel van de vier soorten poorten. (© 2018 Jos Verstraten) |
Alle vier de poorten kunt u met op-amp's samenstellen. En dat wel met één basisschakeling! Als u dus in een of ander systeem diverse soorten poorten door elkaar moet gebruiken, kan het voordelig zijn een beroep te doen op op-amp's. Weliswaar kunt u ook met NAND's of NOR's alle basispoorten opbouwen, maar dat vereist meestal een groot aantal poorten. Uiteraard geldt bij het gebruik van op-amp's de bekende begrenzing: niet bruikbaar in systemen die met hogere frequenties dan enige kHz werken. Vaak treft u in bijvoorbeeld een inbraakalarm systeem een brokje logica aan, opgebouwd uit een aantal poorten. In zo'n traag systeem kunt u zonder meer op-amp's toepassen als dat voordelig uitkomt.
Het principe van de schakeling
Het basisschema van een op-amp poort bestaat uit een spanningsdeler en een comparator. In onderstaande figuur is de spanningsdeler R1-R2 getekend. De twee ingangen A en B zijn verbonden met de twee ingangssignalen. Het knooppunt van beide weerstanden (C) gaat naar de ingang van de als comparator geschakelde op-amp. De tweede ingang van de comparator wordt aangesloten op een referentiespanning.
Hoe werkt een en ander? De spanning die u op punt C meet zegt u iets over de binaire combinatie van 'H' en 'L' op de beide ingangen. Het zal duidelijk zijn dat C 'L' is als A en B 'L' zijn. Het niveau 'L' komt immers overeen met 0 V en 0 V op A en B levert 0 V op het knooppunt van beide weerstanden.
Als een van beide ingangen 'H' is, dan staat er op punt C een spanning van +5 V. Er wordt dan immers een spanningsdeler gevormd tussen 0 V en +10 V en daar beide weerstanden even groot zijn staat er tussen beide weerstanden de helft van de spanning. Als beide ingangen 'H' zijn, dan staat er uiteraard +10 V op. Op punt C staat dus 0 V, +5 V of +10 V, afhankelijk van de logische combinatie op de twee ingangen. De comparator zorgt ervoor dat u deze informatie kunt omzetten naar een eenduidige 'L' of 'H' op de uitgang, afhankelijk van de gewenste poortschakeling.
De diode aan de uitgang van de comparator zorgt er voor dat de spanning op de uitgang niet lager kan worden dan -0,6 V.
Op deze wel zeer eenvoudige manier kunt u de vier basispoorten met één op-amp uitvoeren.
 |
| Het principe van de op-amp als digitale poort. (© 2018 Jos Verstraten) |
De vier poorten met een op-amp
De AND-poort
Het schema van de AND-poort is gegeven in onderstaande figuur. De twee ingangen gaan via de spanningsdeler weerstanden naar de positieve ingang van de op-amp, de negatieve ingang is aangesloten op een drempelspanning van +6,66 V middels de spanningsdeler R3-R4. De werking van de schakeling is duidelijk. Als beide ingangen 'L' zijn, dan staat op de positieve ingang een spanning van 0 V. De spanning op de negatieve ingang is groter, de uitgang van de comparator is -0,6 V, dus logisch 'L'. Is een van de ingangen 'H', dan wordt de positieve ingang ingesteld op een spanning van +5 V, hetgeen niets aan de situatie wijzigt. Slechts als beide ingangen 'H' zijn, wordt de spanning op de positieve ingang groter dan de spanning op de negatieve ingang en slaat de comparator om. De uitgang wordt +10 V, oftewel logisch 'H'. De schakeling voldoet dus aan de waarheidstabel van een AND-poort.
 |
| Het schema van een AND met een op-amp. (© 2018 Jos Verstraten) |
Het schema van de NAND staat in onderstaande figuur. Het enige verschil is dat beide ingangen zijn omgewisseld. De positieve ingang van de comparator staat op een drempel van +6,66 V. Zolang niet beide ingangen 'H' zijn, is de spanning op de negatieve ingang kleiner dan de drempel, de uitgang is 'H'. Eerst als beide ingangen 'H' worden, slaat de comparator om. De waarheidstabel verwijst dus naar de NAND-functie.
 |
| Het schema van een NAND met een op-amp. (© 2018 Jos Verstraten) |
De OR-poort, waarvan het schema is getekend in onderstaande figuur, is al net zo simpel. Beide ingangen gaan naar de positieve ingang, de negatieve is ingesteld op een drempel van +3,33 V. Nu is het voldoende dat er op één van de beide ingangen een 'H' verschijnt om de comparator te laten omklappen. Hetgeen zeer duidelijk de OR-functie demonstreert.
 |
| Het schema van een OR met een op-amp. (© 2018 Jos Verstraten) |
De NOR-poort
Het zal wel geen verbazing wekken dat het enige verschil tussen de OR en de NOR van onderstaande figuur de wisseling is van beide ingangen. Alleen als beide ingangen 'L' zijn, staat er op de negatieve ingang een lagere spanning dan op de positieve ingang. De uitgang is dan 'H' en zoekt het 'L'-niveau op als een of beide ingangen 'H' worden. Een typisch NOR gedrag!
 |
| Het schema van een NOR met een op-amp. (© 2018 Jos Verstraten) |
Met vier weerstanden en één op-amp hebt u een basisschakeling waarmee u alle basis poortfuncties kunt uitwerken. Als u dus een 3x4 standen schakelaar toevoegt, waarmee u de ingangen wisselt en de referentiespanning omschakelt van +3,33 V naar +6,66 V, hebt u een zeer eenvoudige logische demonstrator, waarmee u alle poortfuncties kunt uitproberen. Aap dat maar eens na met TTL- of CMOS-poorten!
Ingewikkelder schakelingen
Een poortschakeling met drie ingangen
Onderstaande figuur, tenslotte, geeft een op-amp poortschakeling met drie ingangen A, B en C. De uitgang X mag alleen 'H' worden als A = 'L' en B en C = 'H'. Een typische decodeerschakeling, waar een op-amp zijn (of haar?) hand niet voor omdraait! U kunt deze schakeling opbouwen op uw experimenteerprint. Ook ingewikkelder decodeerschakelingen kunt u dus vaak zeer eenvoudig met een op-amp'je uitwerken.
 |
| Een ingewikkelder decodeer-schakeling, uitgewerkt met één op-amp. (© 2018 Jos Verstraten) |
Experimenteer mee met deze cursus!
U kunt de experimenten die in deze cursus worden beschreven zélf uitvoeren.
Daarvoor moet u echter eerst onze 'analoge trainer' nabouwen.
De uitgebreide beschrijving van de zelfbouw van dit apparaat treft u aan op de onderstaande link:
Hobby-lab: bouw een analoge trainer
 |
| De vorige schakeling op uw experimenteerprint. (© 2018 Jos Verstraten) |
|
|
