¿Por qué un circuito inversor (puerta NOT) necesita un transistor y un transistor complementario?

Question

Repasando puertas lógicas, leí que para hacer un circuito inversor se necesitan dos transitores, uno de ellos complementario, así:

Asumiendo que la intención de este circuito es producir una puerta NOT, entonces pregunto: ¿Es necesario el transistor inferior? Sin él, me parece que el circuito funcionaría perfectamente como una puerta NOT. Si no es necesario, ¿hay alguna situación en la que sería útil tener un segundo transitorio?

Answer 1

La ausencia de tensión es no lo mismo que los cero voltios en los circuitos reales.

Si sólo tienes el transistor superior, entonces tienes un circuito que puede alimentar la corriente pero no hundirla. Si lo necesitas para accionar un transistor PNP -como otra copia del mismo circuito- entonces no funcionará correctamente.

Puedes tener un transistor PNP y un pulldown (in1/out1), o un transistor NPN y un pullup (in2/out2):

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Este último se conoce como "colector abierto" y es bastante común en los circuitos TTL.

Por supuesto, tener la resistencia ahí consume cierta cantidad de energía cuando el transsitor está encendido, así que usar dos transistores evita eso.

Es aún más importante con los MOSFETs, ya que "no hay tensión conectada" a menudo se convierte en "tensión inducida por señales de radio cercanas" o "cualquier tensión conectada por última vez a la capacitancia de la puerta".

Answer 2

En la lógica de conmutación de voltaje, debe haber algún medio por el que cada nodo pueda ser atraído hacia arriba, y algún medio por el que cada nodo pueda ser atraído hacia abajo. Se podría utilizar un transistor de conmutación para una de esas funciones y una resistencia para la otra, con la idea de que cuando el transistor esté "apagado" la resistencia podrá conducir la línea, pero cuando el transistor esté "encendido" superará a la resistencia. Este enfoque era bastante común, en realidad, en una tecnología llamada "NMOS" que utilizaba transistores pull-down activos y pull-ups pasivos (en los chips NMOS, la "resistencia pull-up" suele ser una forma de transistor que se construye de tal manera que siempre está parcialmente encendido, pero que funciona esencialmente como una resistencia). El principal problema de este enfoque es que un pull-up que no pasa mucha corriente tardará en elevar el cable, y un pull-up que pasa mucha corriente consumirá mucha energía mientras el cable está bajo.

En la lógica de conmutación de corriente, si no nos importa tener que dividir las puertas en dos categorías, de manera que cada puerta sólo pueda accionar puertas de la otra categoría, podríamos arreglárnoslas con un solo transistor para cada puerta inversora. Una categoría de puertas utilizaría transistores NPN y la otra PNP. Una señal "alta" que alimente a un transistor NPN se representaría con una corriente positiva; una "alta" que alimente a un PNP se representaría con una falta de corriente negativa. Dado que la alimentación de corriente en la base de un NPN haría que su colector perdiera corriente, un transistor actuaría como un inversor. Si se necesita que una señal de una puerta de una categoría sea alimentada, invertida, a otra puerta de la el mismo categoría habría que utilizar un transistor y una resistencia, de forma similar a la lógica controlada por tensión anterior.