Het analoge domein: transistors

Op deze pagina, ga je leren over de implementatie van logische poorten: transistors.

De transistor is de fundamentele bouwsteen van elektronische circuits, waarin ze gebruikt worden als aan/uit-schakelaars.

Geen Afbeelding
Afbeelding van sv.Wikipedia-gebruiker DaRy

Je hebt geleerd dat een draad wel of geen spanning kan dragen. De realiteit is ingewikkelder. Het beeld dat een draad, transistor of logische poortuit aan of uit kan is een vereenvoudiging: een abstractie.

Geen Afbeelding

Dit is een ruwe grafiek van het werkelijke invoer-uitvoergedrag van een transistor. Maak je geen zorgen over de details; let op de twee blauwe platte delen van de grafiek. Binnen het "afsnijding"-gebied passen kleine veranderingen in de ingangsspanning de uitgangsspanning niet aan; de uitgang is altijd nul volt. Evenzo binnen het "verzadiging"-gebied beïnvloeden kleine ingangsveranderingen nauwelijks uitgangsspanning; de uitvoer wordt geïnterpreteerd als 1 . Dit is hoe transistors worden gebruikt als schakelaars in een computer.

Transistors zijn veelzijdige apparaten. Bij gebruik in het middelste, lineaire (roze) deel van de grafiek, werken ze als versterkers ; een kleine variatie in ingangsspanning produceert een grote variatie in uitgangsspanning.

Waarom heten ze "afsnijding", "lineair" en "verzadiging"?
Het onderste gebied van de curve wordt "afsnijding" genoemd omdat de uitgang van de transistor afgesneden is (de uitgang is nul) voor elke ingang in dat gebied. Het bovenste gebied wordt "verzadiging" genoemd omdat zoals een spons die niet natter kan worden, de transistor niet meer uitvoer kan geven, ongeacht hoe groot de invoer is. Het centrale gebied wordt "lineair" genoemd omdat het zich gedraagt als een lineaire (rechte) functie.
De transistor werd uitgevonden in 1947 door John Bardeen, Walter Brattain en William Shockley in Bell Laboratories, ook het geboortehuis van Unix. De uitvinders ontvingen voor dit werk de Nobelprijs voor natuurkunde in 1956.
Het digitale domein is geen natuurwet; circuitontwerpers moeten ervoor zorgen dat elke draad in een circuit altijd volledig aan of volledig uit is. Het digitale domein is een abstractie.
Leer meer over wat zich onder de digitale abstractie bevindt en hoe deze wordt toegepast.

De vlakheid van de uitvoer aan de twee uitersten is belangrijk omdat er kleine veranderingen in de input zullen zijn. Elektrische schakelingen hebben "ruis" in de vorm van ongewenste veranderingen in spanningen. Deze ruis wordt veroorzaakt door verschillende zaken, van transistors die heet worden tot losse verbindingen op de printplaat en zelfs kosmische straling. Dit is de reden waarom computers nullen en enen gebruiken: een transistor heeft twee vlakke gebieden in zijn invoer-uitvoergrafiek.

Maar de vlakheid van het verzadigde gebied is slechts een benadering en het hangt af van hoe de transistor is verbonden met de rest van het circuit. Een voorbeeld van een potentieel probleem is fanout, het aantal transistoringangen waarop de uitgang van een transistor is aangesloten. Voorbij een bepaald aantal (het hangt af van het specifieke transistortype, maar tien ingangen zouden zeker te veel zijn), wordt de uitgangsspanning zo ver verlaagd dat de ingangen niet zeker zijn of ze een 0 of een 1 krijgen.

De manier waarop een transistor echt werkt, hangt af van kwantumfysica. (We hebben het niet over kwantumcomputers; gewone oude computercircuits zijn ook gebaseerd op kwantumeffecten.) Volg een cursus Elektrotechniek om meer te leren over het ontwerpen van analoge domeinen en wat zich in een transistor bevindt.

 
  1. Onderzoek hoe transistors gebruikt worden om logische poorten te implementeren.
Terug Volgende