Схемы логических элементов на транзисторах: Схемная реализация логических элементов И-ИЛИ-НЕ и других

Схемная реализация логических элементов И-ИЛИ-НЕ и других

Для выполнения логических операций и решать логические задачи с помощью средств электроники были изобретены логические элементы. Их создают с помощью диодов, транзисторов и комбинированных элементов (диодно-транзисторные). Такая логика получила название диодной логики (ДЛ), транзисторной (ТЛ) и диодно–транзисторной (ДТЛ). Используют как полевые, так и биполярные транзисторы. В последнем случае предпочтение отдается устройствам типа n-p-n, так как они обладают большим быстродействием.

Логический элемент «ИЛИ»

Схема логического элемента «ИЛИ» представлена на рисунке 1 а. На каждый из входов может подаваться сигнал в виде какого-то напряжения (единица) или его отсутствия (ноль). На резисторе R появиться напряжение даже при его появлении на каком – либо из диодов.

Рис. 1

Элементы или могут иметь несколько логических входов. Если используются не все входы, то те входы которые не используются следует соединять с землей (заземлять), чтобы избежать появления посторонних сигналов.

На рисунке 1б показано обозначение на электрической схеме элемента, а на 1в таблица истинности.

Логический элемент «И»

Схема элемента приведена на рис. 2. Если хотя – бы к одному из входов будет сигнал равный нулю, то через диод будет протекать ток. Падение напряжения на диоде стремится к нулю, соответственно на выходе тоже будет ноль. На выходе сможет появится сигнал только при условии, что все диоды будут закрыты, то есть на всех входах будет сигнал. Рассчитаем уровень сигнала на выходе устройства:

Рис.2

на рис. 2 б – обозначение на схеме, в – таблица истинности.

Логический элемент «НЕ»

В логическом элементе «НЕ» используют транзистор (рис.3 а). при наличии положительного напряжения на входе х=1 транзистор открывается и напряжение его коллектора стремится к нулю. Если х=0 то положительного сигнала на базе нет, транзистор закрыт, ток не проходит через коллектор и на резисторе R нет падения напряжения, соответственно на коллекторе появится сигнал Е. условное обозначение и таблица истинности приведены на рис. 3 б,в.

Рис.3

Логический элемент «ИЛИ-НЕ»

При создании различных схем на логических элементах часто применяют элементы комбинированные. В таких элементах совмещены несколько функций. Принципиальная схема показана на рис. 4 а.

Рис.4

Здесь диоды Д1 и Д2 выполняют роль элемента «ИЛИ», а транзистор играет роль инвертора. Обозначение элемента на схеме и его таблица истинности рис. 4б и в соответственно.

Логический элемент «И-НЕ»

Показана схема на рис. 5 а. Здесь диод Д3 выполняет роль так сказать фильтра во избежание искажения сигнала. Если на вход х1 или х2 не подан сигнал (х1=0 или х2=0), то через диод Д1 или Д2 будет протекать ток. Падение на нем не равно нулю и может оказаться достаточным для открытия транзистора. Последствием чего может стать ложное срабатывание и на выходе вместо единицы мы получим ноль. А если в цепь включить Д3, то на нем упадет значительная часть напряжения открытого на входе диода, и на базу транзистора практически ничего не приходит. Поэтому он будет закрыт, а на выходе будет единица, что и требуется при наличии нуля на каком либо из входов. На рис. 5б и в показаны таблица истинности и схемное обозначение данного устройства.

Рис.5

Логические элементы получили широчайшее применение в электронике и микропроцессорной технике. Многие системы управления строятся с использованием именно этих устройств.

Базовые логические элементы.

И, ИЛИ, НЕ и их комбинации

В Булевой алгебре, на которой базируется вся цифровая техника, электронные элементы должны выполнять ряд определённых действий. Это так называемый логический базис. Вот три основных действия:

• ИЛИ – логическое сложение (дизъюнкция) – OR;

• И – логическое умножение (конъюнкция) – AND;

• НЕ – логическое отрицание (инверсия) – NOT.

Примем за основу позитивную логику, где высокий уровень будет «1», а низкий уровень примем за «0». Чтобы можно было более наглядно рассмотреть выполнение логических операций, существуют таблицы истинности для каждой логической функции. Сразу нетрудно понять, что выполнение логических функций «и» и «или» подразумевают количество входных сигналов не менее двух, но их может быть и больше.

Логический элемент И.

На рисунке представлена таблица истинности элемента «И» с двумя входами. Хорошо видно, что логическая единица появляется на выходе элемента только при наличии единицы на первом входе и на втором. В трёх остальных случаях на выходе будут нули.

На принципиальных схемах логический элемент «И» обозначают так.

На зарубежных схемах обозначение элемента «И» имеет другое начертание. Его кратко называют AND.

Логический элемент ИЛИ.

Элемент «ИЛИ» с двумя входами работает несколько по-другому.  Достаточно логической единицы на первом входе или на втором как на выходе будет логическая единица. Две единицы так же дадут единицу на выходе.

На схемах элемент «ИЛИ» изображают так.

На зарубежных схемах его изображают чуть по-другому и называют элементом OR.

Логический элемент НЕ.

Элемент, выполняющий функцию инверсии «НЕ» имеет один вход и один выход. Он меняет уровень сигнала на противоположный. Низкий потенциал на входе даёт высокий потенциал на выходе и наоборот.

Вот таким образом его показывают на схемах.

В зарубежной документации элемент «НЕ» изображают следующим образом. Сокращённо называют его NOT.

Все эти элементы в интегральных микросхемах могут объединяться в различных сочетаниях. Это элементы: И–НЕ, ИЛИ–НЕ, и более сложные конфигурации. Пришло время поговорить и о них.

Логический элемент 2И-НЕ.

Рассмотрим несколько реальных логических элементов на примере серии транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) К155 с малой степенью интеграции. На рисунке когда-то очень популярная микросхема К155ЛА3, которая содержит четыре независимых элемента 2И – НЕ. Кстати, с помощью её можно собрать простейший маячок на микросхеме.

Цифра всегда обозначает число входов логического элемента. В данном случае это двухвходовой элемент «И» выходной сигнал которого инвертируется. Инвертируется, это значит «0» превращается в «1», а «1» превращается в «0». Обратим внимание на кружочек на выходах – это символ инверсии. В той же серии существуют элементы 3И–НЕ, 4И–НЕ, что означает элементы «И» с различным числом входов (3, 4 и т.д.).

Как вы уже поняли, один элемент 2И-НЕ изображается вот так.

По сути это упрощённое изображение двух объёдинённых элементов: элемента 2И и элемента НЕ на выходе.

Зарубежное обозначение элемента И-НЕ (в данном случае 2И-НЕ). Называется NAND.

Таблица истинности для элемента 2И-НЕ.

В таблице истинности элемента 2И – НЕ мы видим, что благодаря инвертору получается картина противоположная элементу «И». В отличие от трёх нулей и одной единицы мы имеем три единицы и ноль. Элемент «И – НЕ» часто называют элементом Шеффера.

Логический элемент 2ИЛИ-НЕ.

Логический элемент 2ИЛИ – НЕ представлен в серии К155 микросхемой 155ЛЕ1. Она содержит в одном корпусе четыре независимых элемента. Таблица истинности так же отличается от схемы «ИЛИ» применением инвертирования выходного сигнала.

Таблица истинности для логического элемента 2ИЛИ-НЕ.

Изображение на схеме.

На зарубежный лад изображается так. Называют как NOR.

Мы имеем только один высокий потенциал на выходе, обусловленный подачей на оба входа одновременно низкого потенциала. Здесь, как и на любых других принципиальных схемах, кружочек на выходе подразумевает инвертирование сигнала. Так как  схемы И – НЕ и ИЛИ – НЕ встречаются очень часто, то для каждой функции имеется своё условное обозначение. Функция И – НЕ обозначается значком «&«, а функция ИЛИ – НЕ значком «1«.

Для отдельного инвертора таблица истинности уже приведена выше. Можно добавить, что количество инверторов в одном корпусе может достигать шести.

Логический элемент «исключающее ИЛИ».

К числу базовых логических элементов принято относить элемент реализующий функцию «исключающее ИЛИ». Иначе эта функция называется «неравнозначность».

Высокий потенциал на выходе возникает только в том случае, если входные сигналы не равны. То есть на одном из входов должна быть единица, а на другом ноль. Если на выходе логического элемента имеется инвертор, то функция выполняется противоположная – «равнозначность». Высокий потенциал на выходе будет появляться при одинаковых сигналах на обоих входах.

Таблица истинности.

Эти логические элементы находят своё применение в сумматорах. «Исключающее  ИЛИ» изображается на схемах знаком равенства перед единицей «=1«.

На зарубежный манер «исключающее ИЛИ» называют XOR и на схемах рисуют вот так.

Кроме вышеперечисленных логических элементов, которые выполняют базовые логические функции очень часто, используются элементы, объединённые в различных сочетаниях. Вот, например, К555ЛР4. Она называется очень серьёзно 2-4И-2ИЛИ-НЕ.

Её таблица истинности не приводится, так как микросхема не является базовым логическим элементом. Такие микросхемы выполняют специальные функции и бывают намного сложнее, чем приведённый пример. Так же в логический базис входят и простые элементы «И» и «ИЛИ». Но они используются гораздо реже. Может возникнуть вопрос, почему эта логика называется транзисторно-транзисторной.

Если посмотреть в справочной литературе схему, допустим, элемента 2И – НЕ из микросхемы К155ЛА3, то там можно увидеть несколько транзисторов и резисторов. На самом деле ни резисторов, ни диодов в этих микросхемах нет. На кристалл кремния через трафарет напыляются только транзисторы, а функции резисторов и диодов выполняют эмиттерные переходы транзисторов. Кроме того в ТТЛ логике широко используются многоэмиттерные транзисторы. Например, на входе элемента 4И стоит четырёхэмиттерный транзистор.

Главная &raquo Цифровая электроника &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

Логические схемы

Логические элементы, включая вентили, счетчики и запоминающие устройства, изготавливаются в виде интегральных модулей, или инте­гральных схем (ИС). Эти ИС разбивают на классы, называемые семей­ствами, по числу полупроводниковых приборов, содержащихся в одной ИС. В настоящее время существуют следующие семейства.

Степень интеграции определяет сложность интегральной схемы. Ка­ждое следующее по сложности семейство характеризуется десятикрат­ным увеличением числа элементов по сравнению с предыдущим. К ИС низкой и средней степени интеграции относятся дискретные логические элементы, такие, как вентили, счетчики и регистры. БИС иСБИС используются в качестве запоминающих устройств, микропроцессоров и за­конченных систем, таких, как микрокомпьютеры.

Логические состояния

Логический элемент имеет два различных состояния: состояние логи­ческого 0, представляемое низким уровнем напряжения, обычно 0 В; и состояние логической 1. представляемое высоким уровнем напряжения (положительной полярности в случае положительной логики и отрица­тельной полярности в случае отрицательной логики). Уровень напряже­ния, который представляет логическую 1. зависит от используемого ти­па ИС. Для ИС, изготавливаемых по биполярной технологии, например для ПС ТТ, I (ИС на основе транзисторно-транзисторной логики), логи­ческой 1 соответствует напряжение 5 В, в то время как для ИС КМОП (ИС на комплементарных, или дополняющих, МОП-транзисторах) логи­ческая 1 может быть представлена напряжением в диапазоне от 3 до 15 В и выше. ИС ТТЛ имеют преимущество в быстродействии, а ИС КМОП позволяют реализовать более высокую степень интеграции компонентов

(т. е. позволяют разместить большее число логических элементов в одном интегральном модуле) и не требуют использования стабилизированных источников питания.

Транзисторно-транзисторные логические элементы (ТТЛ)

ТТЛ-элементы применяются в интегральных схемах и обеспечивают вы­сокую скорость переключения. На рис. 34.1 показана упрощенная схема логического элемента И-НЕ с многоэмиттерным транзистором T₁ на вхо­де. Когда на обоих входах присутствует логический 0, транзистор T₁ насыщен и напряжение на его коллекторе близко к 0 В. Следователь­но, транзистор T₂ находится в состоянии отсечки, и на выходе мыимеем логическую 1. Когда на оба входа подается логическая 1, транзистор T₁ закрывается и переключает транзистор T₂ в состояние насыщения. В этом случае на выходе элемента мы имеем логический 0.

Рис. 34.1. Логический элемент И-НЕ (ТТЛ-типа). 

Логические элементы на полевых транзисторах

Логические схемы в настоящее время изготавливаются только в виде ин­тегральных схем. Огромное количество логических элементов можно раз­местить на мельчайшем кристалле (чипе) кремния размером 1х2 мм. В силу своей простоты полевые транзисторы применяются чаще, чем бипо­лярные транзисторы. Наиболее широко распространены логические эле­менты на основе так называемых КМОП-ячеек (здесь они не рассматри­ваются). На рис. 34.2 приведена схема логического элемента ИЛИ-НЕ на МОП-транзисторах, который работает на основе отрицательной логи­ки. В этой схеме T₁ и T₂ — полевые МОП-транзисторы с каналом p-типа (работающие в режиме обогащения). Когда на обоих входах присутствует Уровень логического 0, транзисторы T₁ и T₂ находятся в состоянии отсеч­ки и на выходе мы имеем логическую 1 (-V_DD= -20 В). Когда на один или на оба входа подается логическая 1 (например, -20 В), открываются один или оба транзистора и на выходе мы получаем логический 0.

Рис. 34.2.   Логический элемент                         Рис. 34.3.   Логический элемент на И-НЕ 

ИЛИ-НЕ на МОП-транзисторах.                                             МОП-транзисторах.        

На рис. 34.3 показана схема логического элемента И-НЕ на основе полевых МОП-транзисторов с каналом п-типа. Поскольку используется источник питания положительной полярности, данный логический эле­мент работает на основе положительной логики. Транзистор T₃ постоян­но смещен в активную рабочую область напряжением V_DD, подаваемым на затвор, и выполняет функцию активной нагрузки логического эле­мента. Когда на одном или на обоих входах присутствует логический 0, один или оба транзистора находятся в состоянии отсечки, выдавая ло­гическую 1 на выходе. Ток через транзисторы будет протекать только в том случае, когда на оба входа будет подана логическая 1, и только в этом случае мы получим на выходе логический 0.

Булевы выражения

Функции, реализуемые отдельным логическим элементом или комбина­цией логических элементов, могут быть выражены логическими форму­лами, называемыми булевыми выражениями. В булевой алгебре исполь­зуются следующие обозначения логических функций (см. табл. 34.1):

• Функция И обозначается символом точки (·). Двухвходовый (входы А и В) логический элемент И вырабатывает на выходе сигнал, предста­вляемый булевым выражением А · В.

• Функция ИЛИ обозначается символом (+). Двухвходовый логический элемент ИЛИ вырабатывает на выходе сигнал, представляемый буле­вым выражением А + В.

Таблица 34.1. Булевы выражения

• Логическая функция НЕ обозначается символом черты над обозначе­нием входного сигнала. Логическая схема НЕ с одним входом А вы­рабатывает на выходе сигнал, представляемый булевым выражением  (читается «НЕ А»).

Через эти простые функции можно выразить более сложные:

 • Функция Н-НЕ записывается как .

• Функция ИЛИ-НЕ записывается как .

• Функция Исключающее ИЛИ записывается как . Ее можно также записать, используя специальное обозначение, .

• Функция Исключающее ИЛИ-НЕ записывается как . Ее можно также записать, используя специальное обозначение, .

Комбинаторная логика

Рассмотрим логическую схему на рис. 34.4. Логическую функцию, вы­полняемую этой схемой, можно описать с помощью следующих булевых выражений.

Выходной сигнал логического элемента ИЛИ (i): A + В

Выходной сигнал логического элемента И-ИЕ (ii):  

Выходной сигнал логического элемента ИЛИ (iii): (А + В) +

Пример 1

Обратимся к рис. 34.5.

а) Найдите булево выражение для логической функции изображенной ком­бинации логических элементов.

б) Составьте таблицу истинности, показывающую логические состояния во всех точках схемы, и докажите, что эту схему можно свести к одному логическому элементу.

Решение

а) Булево выражение для точки С = .

    Булево выражение для точки D= .

    Булево выражение для точки F = ·.

б) Таблица истинности

Как видно из таблицы истинности, приведенная комбинация логических эле­ментов эквивалентна логическому элементу ИЛИ-НЕ.

Пример 2                                         

Обратимся к рис. 34.6.                                                     

а) Найдите булево выражение для логической функции изображенной комбинации логических элементов.                                    

б) Составьте таблицу истинности, показывающую логические состояния во всех точках схемы, и докажите, что эту схему можно свести к одному  логическому элементу.  

Решение

а) Булево выражение для точки С = .

Элементная база различных логик: схемы, ТТЛ, ТТЛШ, КМОП

Для конкретной серии микросхем характерно использование типового электронного узла — базового логического элемента. Этот элемент является основой построения самых разнообразных цифровых электронных устройств.

Ниже рассмотрим особенности базовых логических элементов различных логик.

Элементы транзисторно-транзисторной логики

Характерной особенностью ТТЛ является использование многоэмиттерных транзисторов. Эти транзисторы сконструированы таким образом, что отдельные эмиттеры не оказывают влияния друг на друга. Каждому эмиттеру соответствует свой p-n-переход. В первом приближении многоэмиттерный транзисторможет моделироваться схемой на диодах (см. пунктир на рис. 3.27).

Упрощенная схема ТТЛ-элемента приведена на рис. 3.27. При мысленной замене многоэмиттерного транзистора диодами получаем элемент диодно-транзисторной логики «И-НЕ». Из анализа схемы можно сделать вывод, что если на один из входов или на оба входа подать низкий уровень напряжения, то ток базы транзистора Т₂ будет равен нулю, и на коллекторе транзистора Т₂ будет высокий уровень напряжения. Если на оба входа подать высокий уровень напряжения, то через базу Т₂ транзистора будет протекать большой базовый ток и на коллекторе транзистора Т₂ будет низкий уровень напряжения, т. е. данный элемент реализует функцию И-НЕ:

u_вых= u₁· u₂. Базовый элемент ТТЛ содержит многоэмиттерный транзистор, выполняющий логическую операцию И, и сложный инвертор (рис. 3.28).
Если на один или оба входа одновременно подан низкий уровень напряжения, то многоэмиттерный транзистор находится в состоянии насыщения и транзистор Т₂ закрыт, а следовательно, закрыт и транзистор Т₄, т. е. на выходе будет высокий уровень напряжения. Если на обоих входах одновременно действует высокий уровень напряжения, то транзистор Т₂ открывается и входит в режим насыщения, что приводит к открытию и насыщению транзистора Т₄ и запиранию транзистора Т₃, т. е. реализуется функция И-НЕ.

Для увеличения быстродействия элементов ТТЛ используются транзисторы с диодами Шоттки (транзисторы Шоттки).

Базовый логический элемент ТТЛШ (на примере серии К555)

В качестве базового элемента серии микросхем К555 использован элемент И-НЕ. На рис. 3.29, а изображена схема этого элемента, а условное графическое обозначение транзистора Шоттки приведено на рис. 3.29, б.
Такой транзистор эквивалентен рассмотренной выше паре из обычного транзистора и диода Шоттки. ТранзисторVT₄ — обычный биполярный транзистор.

Если оба входных напряжения u_вх1и u_вх2 имеют высокий уровень, то диодыVD₃ и VD₄ закрыты, транзисторы VT₁,VT₅ открыты и на выходе имеет место напряжение низкого уровня. Если хотя бы на одном входе имеется напряжение низкого уровня, то транзисторы VT₁ и VT₅ закрыты, а транзисторы VT₃ и VT₄ открыты, и на входе имеет место напряжение низкого уровня. Полезно отметить, что транзисторы VT₃ и VT₄ образуют так называемый составной транзистор (схему Дарлингтона).

Микросхемы ТТЛШ

Микросхемы ТТЛШ серии К555 характеризуются следующими параметрами:

● напряжение питания +5 В;

● выходное напряжение низкого уровня — не более 0,4 В;

● выходное напряжение высокого уровня — не менее 2,5 В;

● помехоустойчивость — не менее 0,3 В;

● среднее время задержки распространения сигнала — 20 нс;

● максимальная рабочая частота — 25 МГц.

Микросхемы ТТЛШ обычно совместимы по логическим уровням, помехоустойчивости и напряжению питания с микросхемами ТТЛ. Время задержки распространения сигнала элементов ТТЛШ в среднем в два раза меньше по сравнению с аналогичными элементами ТТЛ.

Особенности других логик

Основой базового логического элемента ЭСЛ является токовый ключ. Схема токового ключа (рис. 3.30) подобна схеме дифференциального усилителя.
Необходимо обратить внимание на то, что микросхемы ЭСЛ питаются отрицательным напряжением (к примеру, −4,5 В для серии К1500). На базу транзистора VT₂ подано отрицательное постоянное опорное напряжение U_оп. Изменение входного напряжения u_вх1 приводит к перераспределению постоянного тока i_э0, заданного сопротивлением R_э между транзисторами, что имеет следствием изменение напряжений на их коллекторах. Транзисторы не входят в режим насыщения, и это является одной из причин высокого быстродействия элементов ЭСЛ.

Микросхемы серий 100, 500 имеют следующие параметры:

● напряжение питания −5,2 В;

● потребляемая мощность — 100 мВт;

● коэффициент разветвления по выходу — 15;

● задержка распространения сигнала — 2,9 нс.

В микросхемах n-МОП и p-МОП используются ключи соответственно на МОП-транзисторах с n-каналом и динамической нагрузкой (рассмотрены выше) и на МОП-транзисторах с p-каналом.

В качестве примера рассмотрим элемент логики n-МОП, реализующий функцию ИЛИ-НЕ (рис. 3.31).

Он состоит из нагрузочного транзистора Т₃ и двух управляющих транзисторов Т₁ и Т₂. Если оба транзистора Т₁ и Т₂ закрыты, то на выходе устанавливается высокий уровень напряжения. Если одно или оба напряжения u₁и u₂ имеют высокий уровень, то открывается один или оба транзистора Т₁ и Т₂ и на выходе устанавливается низкий уровень напряжения, т. е. реализуется функция u_вых= u₁ + u_2.

Для исключения потребления мощности логическим элементом в статическом состоянии используются комплементарные МДП — логические элементы (КМДП или КМОП-логика). В микросхемах КМОП используются комплементарные ключи на МОП-транзисторах. Они отличаются высокой помехоустойчивостью. Логика КМОП является очень перспективной. Рассмотренный ранее комплементарный ключ фактически является элементом НЕ (инвертором).

КМОП — логический элемент

Рассмотрим КМОП — логический элемент, реализующий функцию ИЛИ-НЕ (рис. 3.32).

Если входные напряжения имеют низкие уровни (u₁и u₂меньше порогового напряжения n-МОП-транзистора U_{зи.порог.n}), то транзисторы Т₁ и Т₂ закрыты, транзисторы Т₃ и Т₄ открыты и выходное напряжение имеет высокий уровень. Если одно или оба входных напряжения u₁и u₂ имеют высокий уровень, превышающий U_{зи.порог.n}, то открывается один или оба транзистора Т₁ и Т₂, а между истоком и затвором одного или обоих транзисторов Т₃ и Т₄ устанавливается низкое напряжение, что приводит к запиранию одного или обоих транзисторов Т₃ и Т₄, а следовательно, на выходе устанавливается низкое напряжение. Таким образом, этот элемент реализует функцию u_вых= u₁+u₂ и потребляет мощность от источника питания лишь в короткие промежутки времени, когда происходит его переключение.

Интегральная инжекционная логика (ИИЛ или И²Л) построена на использовании биполярных транзисторов и применении оригинальных схемотехнических и технологических решений. Для нее характерно очень экономичное использование площади кристалла полупроводника. Элементы И²Л могут быть реализованы только в интегральном исполнении и не имеют аналогов в дискретной схемотехнике. Структура такого элемента и его эквивалентная схема приведены на рис. 3.33, из которого видно, что транзистор T₁ (p-n-p) расположен горизонтально, а многоколлекторный транзистор Т₂ (n-p n) расположен вертикально. Транзистор T₁ выполняет роль инжектора, обеспечивающего поступление дырок из эмиттера транзистора T₁ (при подаче на него положительного напряжения через ограничивающий резистор) в базу транзистора Т₂. Если u₁ соответствует логическому «0», то инжекционный ток не протекает по базе многоколлекторного транзистора Т₂ и токи в цепях коллекторов транзистора Т₂ не протекают, т. е. на выходах транзистора Т₂ устанавливаются логические «1». При напряжении u₁ соответствующем логической «1», инжекционный ток протекает по базе транзистора Т₂ и на выходах транзистора Т₂ — логические нули.

Рассмотрим реализацию элемента ИЛИ-НЕ на основе элемента, представленного на рис. 3.34 (для упрощения другие коллекторы многоколлекторных транзисторов Т₃ и Т₄ на рисунке не показаны). Когда на один или оба входа подается логический сигнал «1», то напряжение u_вых соответствует логическому нулю. Если на обоих входах логические сигналы «0», то напряжение u_вых соответствует логической единице.
Логика на основе полупроводника из арсенида галлия GaAs характеризуется наиболее высоким быстродействием, что является следствием высокой подвижности электронов (в 3…6 раз больше по сравнению с кремнием). Микросхемы на основе GaAs могут работать на частотах порядка 10 ГГц и более.

НОУ ИНТУИТ | Лекция | Реализация логических элементов

Аннотация: Рассматривается различные технологии реализации логических элементов.

Логические элементы транзисторно-транзисторной логики

Схемы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) базируются на биполярных транзисторах npn-структуры. Базовым элементом (рис. 16.1) данной технологии является схема И-НЕ. Логическое умножение осуществляется за счет свойств многоэмиттерного транзистора VT1 [1]. При подаче хотя бы одного логического нуля на эмиттеры этого транзистора замыкается цепь: +5 В, сопротивление R1, переход база-эмиттер, земля на входе. При этом транзисторы VT2 и VT3 остаются закрытыми. Поэтому выходная цепь не замкнута, падения напряжения в ней нет, следовательно, в точке F на выходе схемы будет потенциал источника питания, т.е. логическая единица. Выполняется правило И-НЕ [2]: при подаче хотя бы одного нуля на выходе схемы получили логическую единицу.

Рис.
16.1.
Базовый элемент И-НЕ на ТТЛ

При подаче логической единицы на все входы схемы замыкается цепь: +5 В, сопротивление R2, транзистор VT2, сопротивление R3 , земля. Следовательно, на базу выходного транзистора VT3 подается потенциал, достаточный для его открытия (соответствует падению напряжения на сопротивлении R3). Через открытый транзистор VT3 замыкается буферная цепь: +5 В, сопротивление R4, транзистор VT3, земля. Следовательно, на выходе F будет потенциал, соответствующий падению напряжения на открытом транзисторе VT3, т.е. 0.4 В. Таким образом, F=0.

На рис. 16.2 представлен логический элемент ИЛИ-НЕ. Логическое сложение осуществляется за счет монтажного соединения транзисторов VT3 и VT4. Замыкание буферной цепи (состояние F=0 ) в этом случае возможно при замыкании хотя бы одной из цепей, проходящих через сопротивления R2 и R3. Эти цепи замыкаются в том случае, если на входы подается хотя бы одна логическая единица. Таким образом, выполняется правило ИЛИ-НЕ [2]: при подаче хотя бы одной единицы на выходе схемы получим логический ноль.

При замене в схеме И-НЕ многоэмиттерного транзистора VT1 на одноэмиттерный получается инвертор (рис. 16.3).

Рис.
16.3.
Логический элемент НЕ на ТТЛ

Буферная часть схем логических элементов ТТЛ-технологии может быть реализована по-разному. В частности, резистор в буферной части может быть вынесен за пределы интегральной схемы, при этом существенно уменьшаются потери и нагрев кристалла. Такие схемы называются схемами «с открытым коллектором «. Пример такой схемы приведен на рис. 16.4.

Рис.
16.4.
Базовый элемент И-НЕ на ТТЛ с открытым коллектором

В схемах с активной нагрузкой (рис. 16.5) состояние буферной цепи определяется состоянием не одного, а двух транзисторов.

Рис.
16.5.
Базовый элемент И-НЕ на ТТЛ с активной нагрузкой

Буферные схемы на три состояния (первые два – логический 0 и логическая 1 ) имеют помимо информационных, разрешающий вход Е (рис. 16.6). При Е=1 диод VD2 подключен на обратное напряжение, поэтому дополнительная цепь, включающая в себя диод VD2 и вход Е, разомкнута и не влияет на работу логического элемента. Таким образом, осуществляется «разрешение» работы элемента. При отсутствии такового разрешения Е=0. Диод VD2 оказывается подключенным на прямое напряжение, замыкается цепь + 5 В, сопротивление R2, открытый диод VD2, земля на входе E. Следовательно, на базу транзистора VT3 в буферной части схемы подается потенциал, соответствующий падению напряжения на открытом диоде, т.е. 0.2 В. При таких условиях данный транзистор закрыт, поэтому выход F оказывается отключенным от источника питания. Кроме того, независимо от состояния информационных входов A и B, замкнется входная цепь +5 В, сопротивление R1, переход база-эмиттер транзистора VT1, земля на входе E. Поэтому, как было описано выше, транзисторы VT2 и VT4 будут закрыты. Вследствие закрытия VT4 выход F будет отключен также и от земли. Таким образом, схема будет не в нулевом и не в единичном, а в «третьем» состоянии, которое называется состоянием высокого сопротивления, Z-состоянием, высокоимпедансным состоянием. Все перечисленные термины обозначают одно и то же: выход схемы отключен и от источника питания, и от земли.

Рис.
16.6.
Базовый элемент И-НЕ на ТТЛ с выходом на три состояния

Логические элементы nМОП-технологии

Схемы nМОП-технологии базируются на полевых (МОП) транзисторах с индуцированным каналом n-типа. Базовым элементом (рис. П16.7) данной технологии является схема И-НЕ. Логическое умножение осуществляется за счет последовательного соединения каналов транзисторов VT1 и VT2. Канал между истоком и стоком в nМОП-транзисторе индуцируется в том случае, когда на затвор (вход схемы) подается положительный относительно подложки потенциал. Цепь от +5 В до земли замкнется только в одном случае, когда A=B=1, поскольку в этом случае оба транзистора открываются и образуется единый канал, замыкающий цепь.

Рис.
16.7.
Логический элемент И-НЕ nМОП-технологии

Функция ИЛИ-НЕ осуществляется за счет параллельного соединения таких транзисторов (рис. 16.8): при подаче хотя бы на один вход единицы индуцируется канал в соответствующем транзисторе и замыкается цепь от +5 В до земли. Следовательно, на выходе будет потенциал, соответствующий падению напряжения в канале транзистора, т.е. 0,2 В, при этом F=0.

Рис.
16.8.
Логический элемент ИЛИ-НЕ nМОП-технологии

Схема инвертора (рис. 16.9) строится на базе одного транзистора.

Рис.
16.9.
Логический элемент НЕ nМОП-технологии

РадиоКот :: Логические элементы

РадиоКот >Обучалка >Цифровая техника >Основы цифровой техники >

Логические элементы

Абсолютно все цифровые микросхемы состоят из одних и тех же логических элементов –
«кирпичиков» любого цифрового узла. Вот о них мы и поговорим сейчас.

Логический элемент – это такая схемка, у которой несколько входов и один выход.
Каждому состоянию сигналов на входах, соответствует определенный сигнал на выходе.

Итак, какие бывают элементы?

Смотрим:

Элемент «И» (AND)

Иначе его называют «конъюнктор».

Для того, чтобы понять как он работает, нужно нарисовать таблицу,
в которой будут перечислены состояния на выходе при любой комбинации входных сигналов.
Такая таблица называется « таблица истинности ».
Таблицы истинности широко применяются в цифровой технике для описания работы логических схем.

Вот так выглядит элемент «И» и его таблица истинности:

Поскольку вам придется общаться как с русской, так и с буржуйской тех. документацией,
я буду приводить условные графические обозначения (УГО) элементов и по нашим и по не нашим стандартам.

Смотрим таблицу истинности, и проясняем в мозгу принцип.
Понять его не сложно: единица на выходе элемента «И» возникает только тогда,
когда на оба входа поданы единицы. Это объясняет название элемента: единицы должны быть И на одном,
И на другом входе.

Если посмотреть чуток иначе, то можно сказать так: на выходе элемента «И» будет ноль в том случае,
если хотя бы на один из его входов подан ноль. Запоминаем. Идем дальше.

Элемент «ИЛИ» (OR)

По другому, его зовут «дизъюнктор».

Любуемся:

Опять же, название говорит само за себя.

На выходе возникает единица, когда на один ИЛИ на другой ИЛИ на оба сразу входа подана единица.
Этот элемент можно назвать также элементом «И» для негативной логики: ноль на его выходе бывает
только в том случае, если и на один и на второй вход поданы нули.

Едем дальше. Дальше у нас очень простенький, но очень необходимый элемент.

Элемент «НЕ» (NOT)

Чаще, его называют «инвертор».

Надо чего-нибудь говорить по поводу его работы?

Ну тогда поехали дальше. Следующие два элемента получаются путем установки инвертора на выход элементов «И» и «ИЛИ».

Элемент «И-НЕ» (NAND)

Элемент И-НЕ работает точно так же как «И», только выходной сигнал полностью противоположен.
Там где у элемента «И» на выходе должен быть «0», у элемента «И-НЕ» — единица. И наоборот. Э
то легко понять по эквивалентной схеме элемента:

Элемент «ИЛИ-НЕ» (NOR)

Та же история – элемент «ИЛИ» с инвертором на выходе.

Следующий товарищ устроен несколько хитрее:

Элемент «Исключающее ИЛИ» (XOR)

Он вот такой:

Операция, которую он выполняет, часто называют «сложение по модулю 2».
На самом деле, на этих элементах строятся цифровые сумматоры.

Смотрим таблицу истинности. Когда на выходе единицы?
Правильно: когда на входах разные сигналы. На одном – 1, на другом – 0. Вот такой он хитрый.

Эквивалентная схема примерно такая:

Ее запоминать не обязательно.

Собственно, это и есть основные логические элементы.
На их основе строятся абсолютно любые цифровые микросхемы. Даже ваш любимый Пентиум 4.

Далее мы позанудствуем о том, как синтезировать цифровую схему, имея ее таблицу истинности.
Это совсем несложно, а знать надо, ибо пригодится (еще как пригодится) нам в дальнейшем.

Ну и напоследок – несколько микросхем, внутри которых содержатся цифровые элементы.
Около выводов элементов обозначены номера соответствующих ног микросхемы. Все микросхемы, перечисленные здесь,
имеют 14 ног. Питание подается на ножки 7 (-) и 14 (+). Напряжение питания – смотри в таблице в предыдущем параграфе.

<<—Вспомним пройденное—-Поехали дальше—>>

Логические основы цифровых схем | Composter 2.0

В некоторых случаях функции электической схемы можно представить с по­мо­щью логических операторов Булевой алгебры. Тогда говорят, что схе­ма циф­ро­вая, т.е. подчиняется законам, хорошо иллюстрированным ло­ги­че­ски­ми операциями — инверсии, логического сложения, конъ­юнк­ции, ис­клю­ча­ю­ще­го «ИЛИ» и т.п. Первым исследовал эти законы Клод Шеннон в 1938 г. на примере электрических цепей с ключами. Впрочем, каждому из нас по силам придумать пример, иллюстрирующий фи­зи­че­ские явления, под­чи­ня­ю­щи­е­ся законам формальной логики.

Одной из самых распространенных аналогий является управление водопроводными кранами. Рассмотрим не­ко­то­рые примеры из этой области, принимая во внимание, что по электрическим схемам тоже «течет ток».

Рис 1. Вентильные схемы работы логических элементов

Во времена первых компьютеров в ходу была диодная логика, по принципу действия в чем-то схожая с работой водопроводных вентилей. Сегодня логические схемы реализуются интегральными микросхемами с высокой плотностью компоновки полупроводниковых элементов, но иногда полезно вспомнить, как формируется один логический элемент с использованием нескольких диодов.

Подключение по схеме «ИЛИ»

Практическую пользу схемы «ИЛИ» трудно переоценить: существует множество схем питания, использующих ло­ги­ку двух входов с диодной коммутацией. Если на одном из входов или на обеих сразу высокий логический уро­вень, ди­од (ди­о­ды) проводит ток, обеспечивая на выходе Y логическую единицу.

Рис 2. Логический элемент «ИЛИ», выполненный на двух диодах и подтягивающем резисторе

В логических элементах, основанных на диодной логике возможны состояния, при которых все диоды закрыты: для приведенной схемы «ИЛИ» это состояние, когда на входах A и B присутствует низкий уровень либо они не под­ключены. В этом случае, элемент «ИЛИ» должен выдавать на выход уровень логического нуля, что и обес­пе­чи­ва­ет­ся резистором, соединяющим выход с общим проводом.

Подключение по схеме «И»

Диодный элемент «И» состоит из двух входов и выхода (Y). На вход диодной схемы может подаваться логическая единица (ей соответствует высокий уровень сигнала) или логический ноль — коммутация на общий провод («зем­ля»). Замкнутые ключи схемы формируют ноль на выходе. Единицу можно получить только в случае, если не на­жат ни один из них: высокий логический уровень на обоих входах дает высокий логический уровень на выходе.

Рис 3. Логический элемент «И», выполненный на двух диодах и подтягивающем резисторе

Для приведенной схемы диодного элемента «И» закрытое состояние обоих диодов возможно при наличии вы­со­ко­го уровня на обоих входах. Аналогичный результат, отсутствие тока через диоды, будет иметь место когда клю­чи не замкнуты

Если подтягивающие резисторы не устанавливать

Если в схеме логического «ИЛИ» все входные диоды отключены (Рис 2.а) либо в схеме логического «И» все вход­ные диоды отключены (Рис 3.а), на выходе будет так называемое Z-состояние — состояние высокого со­про­тив­ле­ния, несущее неопределенность. Его восприятие зависит от схемотехники входных цепей, под­клю­чен­ных к вы­хо­ду нашего логического элемента. Не исключено, что схема сохранит работоспособность и без подтягивающего ре­зис­то­ра, если такой резистор (в яв­ном виде или в виде паразитных цепей утечки) имеется во входной цепи сле­ду­ю­ще­го каскада. Рассчитывать на та­кой «по­да­рок» не следует, поэтому неопределенность устраняется под­клю­че­ни­ем терминирующего резистора.

Выбор номинала для подтягивающего резистора является компромиссом: при низком сопротивлении сигнал бу­дет «просаживаться», при высоком — внешние факторы, такие как паразитные токи утечек, окажут на работу эле­мен­та существенное влияние, и требуемый логический уровень не будет гарантирован. Чтобы избежать не­о­пре­де­лен­нос­ти, формированием логического нуля следует считать соединение входа с общим проводом, ло­ги­че­ской единицы — соединение с плюсом источника питания, а неподключенного состояния следует избегать. Для этого и нужны подтягивающие резисторы. Как видим, приведенные выше схемы на основе кнопок нарушают правила тер­ми­на­ции, опираясь на частные случаи и рассчитывая на предсказуемую реакцию диодной логики в не­под­клю­чен­ном состоянии (при разомкнутой кнопке).

Вентили на полевых транзисторах

Для построения сложных схем требуются элементы, способные обеспечить развязку между управляющей и ве­до­мой цепями. В качестве таких элементов используются транзисторы. Наиболее продуктивной для логических схем оказалась CMOS-технологиях их изготовления. В качестве основы для этих транзисторов используется ком­пле­мен­тар­ная структура металл-оксид-полупроводник, что и определило название всего семейства.

Рис 4. N-канальный транзистор закрыт, когда потенциал на затворе равен истоковому

В работе N-канального СMOS-транзистора используется 5-вольтовая логика: ключ на его основе окажется за­кры­тым, если на затвор прибора подать напряжение низкого уровня и открывается при подаче +5V. Напряжение на затворе управляет проводимостью между стоком и истоком «полевика», и этот факт раз­ра­бот­чи­ком схемы может использоваться для реализации заданных возможностей.

Рис 5. N-канальный транзистор откроется, если на затвор подать положительный потенциал

Стоит только изменить уровень напряжения на затворе транзистора, и он откроется, переключаясь в проводимое состояние. Если нулевой уровень запирает логическую схему, то перевести ее в противоположное (открытое) со­сто­я­ние можно только подав относительно истока положительное напряжение. Его уровень должен превышать оп­ре­де­лен­ный барьер — threshold voltage. Конструкция транзисторов СMOS-логики такова, что порог сра­ба­ты­ва­ния, как правило, выше 1,5 вольта.

Примечание. Если быть предельно точным, то для надежной работы схемы переключения требуется, чтобы напряжение на затворе превышало коммутируемое напряжение. Именно поэтому в импульсных регуляторах, где ШИМ-контроллер питается от +12V и коммутируемое напряжение равно +12V применяется Boost-цепочка, формирующая напряжение в пределах 20…24V для питания затворов.

Проектирование логического элемента И с использованием транзисторов

Как многие из нас знают, интегральная схема или ИС — это комбинация множества небольших схем в небольшом корпусе, которые вместе выполняют командную задачу. Подобно операционному усилителю или микросхеме таймера 555, она построена путем комбинации множества транзисторов, триггеров, логических вентилей и других комбинационных цифровых схем. Точно так же триггер может быть построен с использованием комбинации логических вентилей, а сам логический вентиль может быть построен с использованием нескольких транзисторов.

Логические вентили

— это основа многих цифровых электронных схем. От базовых триггеров до микроконтроллеров Логические вентили образуют основной принцип того, как биты хранятся и обрабатываются. Они устанавливают связь между каждым вводом и выводом системы, используя логику артметики. Существует много разных типов логических вентилей, и каждый из них имеет разную логику, которая может использоваться для разных целей. Но основное внимание в этой статье будет уделено AND Gate , потому что позже мы будем строить логический элемент , используя схему BJT-транзистора .Интересно, правда? Давайте начнем.

И логический вентиль

Логический вентиль И — это D-образный логический вентиль с двумя входами и одним единственным выходом, где D-образный элемент между входом и выходом представляет собой логическую схему. Связь между входными и выходными значениями можно пояснить с помощью приведенной ниже таблицы И таблицы истинности ворот .

Выходные данные уравнения могут быть легко объяснены с помощью логического уравнения И логического элемента , которое составляет Q = A x B или Q = AB .Следовательно, для логического элемента И выход HIGH только тогда, когда оба входа имеют значение HIGH .

Транзистор

Транзистор — это полупроводниковый прибор с тремя выводами, который можно подключить к внешней цепи. Устройство можно использовать как переключатель, а также как усилитель для изменения значений или управления прохождением электрического сигнала.

Для , создающего логический вентиль И с использованием транзистора , мы будем использовать биполярные транзисторы, которые можно разделить на два типа: PNP и NPN — Транзисторы с биполярным переходом .Символ схемы для каждого из них можно увидеть ниже.

Эта статья объяснит вам, как построить схему логического затвора с использованием транзистора. Логика логического элемента И уже объяснена выше, и для построения логического элемента И с использованием транзистора мы будем следовать той же таблице истинности, которая показана выше.

Электрическая схема и необходимые компоненты

Список компонентов, необходимых для построения логического элемента И с использованием NPN-транзистора , представлен следующим образом:

1. Два транзистора NPN.(Вы также можете использовать транзистор PNP, если он есть)
2. Два резистора 10 кОм и один резистор 4-5 кОм.
3. Один светодиод (светоизлучающий диод) для проверки выхода.
4. Макетная плата.
5. A + 5V Электропитание.
6. Две кнопки PUSH.
7. Соединительные провода.

Схема представляет как входы A и B для логического элемента И, так и выход Q, который также имеет подачу + 5 В на коллектор первого транзистора, который подключен последовательно ко второму транзистору, а светодиод подключен к эмиттеру. вывод второго транзистора.Входы A и B подключены к клемме базы транзистора 1 и транзистора 2 соответственно, а выход Q идет к светодиоду положительной клеммы. На диаграмме ниже представлена ​​объясненная выше схема для построения логического элемента И с использованием транзистора NPN.

В этом руководстве используются транзисторы BC547 NPN , которые были добавлены со всеми вышеупомянутыми компонентами в схему, как показано ниже.

Если у вас нет кнопок с собой, вы также можете использовать провода в качестве переключателя, добавляя или удаляя их по мере необходимости (вместо нажатия переключателя).То же самое можно увидеть на видео, где я использовал бы провода в качестве переключателя, подключенного к клемме базы для обоих транзисторов.

Эта же схема, построенная с использованием вышеупомянутых аппаратных компонентов, будет выглядеть примерно так, как на изображении ниже.

Работа и затвор с использованием транзистора

Здесь мы будем использовать транзистор в качестве переключателя, и поэтому, когда напряжение подается через клемму коллектора NPN-транзистора, напряжение достигает эмиттерного перехода только тогда, когда базовый переход имеет подачу напряжения между 0 В и напряжением коллектора.

Точно так же в приведенной выше схеме будет светиться светодиод, т.е. на выходе будет 1 (высокий), только когда на обоих входах будет 1 (высокий), то есть при наличии напряжения на базовом выводе обоих транзисторов. Это означает, что будет прямолинейный путь тока от VCC (источник питания +5 В) до светодиода и далее до земли. Во всех остальных случаях на выходе будет 0 (низкий), и светодиод будет выключен. Все это можно объяснить более подробно, разбираясь в каждом конкретном случае по отдельности.

Случай 1: Когда оба входа равны нулю — A = 0 & B = 0 .

Когда оба входа A и B равны 0, в этом случае вам не нужно нажимать какие-либо кнопки. Если вы не используете кнопки, отсоедините провода, соединенные с кнопками и клеммой базы обоих транзисторов. Итак, мы получили оба входа A и B как 0, и теперь нам нужно проверить выход, который также должен быть 0 в соответствии с таблицей истинности логического элемента AND.

Теперь, когда напряжение подается через вывод коллектора транзистора 1, эмиттер не получает никакого ввода, потому что значение на выводе базы равно 0. Точно так же эмиттер транзистора 1, который подключен к коллектору транзистора 2, подает питание. нет тока или напряжения, а также значение базовой клеммы транзистора 2 равно 0. Итак, эмиттер транзистора 2 ^nd выдает значение 0, и в результате светодиод будет выключен.

Случай 2: Когда входы — A = 0 & B = 1 .

Во втором случае, когда входы A = 0 и B = 1, схема имеет первый вход как 0 (низкий), а второй вход как 1 (высокий) на базу транзистора 1 и 2 соответственно. Теперь, когда на коллектор первого транзистора подается напряжение 5 В, фазовый сдвиг транзистора не изменяется, поскольку на клемме базы 0 вход. Которая передает значение 0 на эмиттер, а эмиттер первого транзистора соединен с коллектором второго транзистора последовательно, поэтому значение 0 переходит в коллектор второго транзистора.

Итак, второй транзистор имеет высокое значение в базе, поэтому он может позволить тому же значению, полученному на коллекторе, пройти на эмиттер. Но поскольку значение на клемме коллектора второго транзистора равно 0, эмиттер также будет иметь значение 0, и светодиод, подключенный к эмиттеру, не будет светиться.

Случай 3: Когда входы — A = 1 & B = 0 .

Здесь вход 1 (высокий) для первой базы транзистора и низкий для второй базы транзистора.Таким образом, путь тока начнется от источника питания 5 В на коллектор второго транзистора, проходящего через коллектор и эмиттер первого транзистора, поскольку значение клеммы базы для первого транзистора высокое.

Но во втором транзисторе значение клеммы базы равно 0, и поэтому ток не проходит от коллектора к эмиттеру второго транзистора, и в результате светодиод все равно будет выключен.

Случай 4: Когда оба входа — один — A = 1 & B = 1 .

Последний случай, и здесь оба входа должны иметь высокий уровень, которые подключены к клеммам базы обоих транзисторов. Это означает, что всякий раз, когда ток или напряжение проходят через коллектор обоих транзисторов, база достигает своего насыщения, а транзистор проводит.

Практически объясняя, когда питание + 5 В подается на вывод коллектора транзистора 1, а также вывод базы насыщен, тогда вывод эмиттера будет получать высокий выходной сигнал, поскольку транзистор смещен в прямом направлении.Этот высокий выходной сигнал на эмиттере идет напрямую на коллектор 2 транзистора ^nd через последовательное соединение. Теперь, аналогично на втором транзисторе, вход коллектора высокий, и в этом случае контакт базы также высокий, что означает, что второй транзистор также находится в состоянии насыщения, и высокий вход будет проходить от коллектора к эмиттеру. Этот высокий выходной сигнал эмиттера переходит на светодиод, который включает светодиод.

Следовательно, все четыре случая имеют те же входы и выходы, что и фактический логический элемент И.Таким образом, мы построили логический вентиль AND, используя транзистор . Надеюсь, вы поняли руководство и получили удовольствие от изучения чего-то нового. Полную работу установки можно найти в видео ниже. В нашем следующем уроке мы также узнаем, как построить вентиль ИЛИ с использованием транзистора и вентиль НЕ с использованием транзистора . Если у вас есть какие-либо вопросы, оставьте их в разделе комментариев ниже или используйте наши форумы для других технических вопросов.

.

Разработка схемы затвора ИЛИ с использованием транзистора

Как многие из нас знают, интегральная схема или ИС — это комбинация множества небольших схем в небольшом корпусе, которые вместе выполняют определенную задачу. Подобно операционному усилителю или микросхеме таймера 555, она построена путем комбинации множества транзисторов, триггеров, логических вентилей и других комбинационных цифровых схем. Точно так же триггер может быть построен с использованием комбинации логических вентилей, а сам логический вентиль может быть построен с использованием нескольких транзисторов.

Логические вентили

— это основа многих цифровых электронных схем.От базовых триггеров до микроконтроллеров Логические вентили образуют основной принцип того, как биты хранятся и обрабатываются. Они устанавливают отношения между каждым вводом и выводом системы с использованием арифметической логики. Существует много разных типов логических вентилей, и каждый из них имеет разную логику, которая может использоваться для разных целей. Но основное внимание в этой статье будет уделено OR Gate , потому что позже мы будем строить OR Gate, используя схему BJT-транзистора , аналогичную схеме транзистора AND Gate, которую мы построили ранее.

ИЛИ Логические ворота

Логические элементы

OR реализуют логическую «дизъюнкцию», то есть помогают найти максимум данных двоичных входов.

У ворот

ИЛИ обозначение схемы показано на рисунке 1, изогнутый конец — вход, а заостренный конец — выход. Логика, которой они следуют, проста: выход «истина», если любой , один вход — истина, или если вход A, или , вход B — истина. Таблица истинности OR Gate показана ниже.

Этот принцип может быть распространен на столько входов, сколько необходимо, выход будет истинным, если какой-либо один (или хотя бы один) из входов истинен. В этой статье мы будем строить логический вентиль ИЛИ с использованием транзистора . Если вы хотите узнать больше о вентиле ИЛИ и о том, как они работают, вы можете ознакомиться с основами статьи о вентиле ИЛИ.

Необходимые детали

• NPN малосигнальные транзисторы (2N2222, BC547 и др.)
• Резисторы 1К
• 10К резисторы

Логический вентиль с использованием транзистора — схема

Первый вариант логического элемента ИЛИ является самым простым — он состоит из двух параллельных эмиттерных повторителей, использующих общий эмиттерный резистор.

На приведенной выше принципиальной схеме показан самый простой способ построить логический элемент ИЛИ с использованием транзисторов NPN. Когда на входе A поддерживается высокий уровень , через базу транзистора Q22 проходит небольшой ток. Это включает Q22, и (относительно) большой ток течет от коллектора к эмиттеру. Ток падает на резистор эмиттера. Напряжение на эмиттерном резисторе составляет V _CC — 0,7 В, поэтому выход «следует» за входом с коэффициентом усиления чуть меньше единицы.То же самое происходит, когда на входе B поддерживается высокий уровень . Когда на обоих входах высокий уровень, оба транзистора активны, но на эмиттерном резисторе падает одинаковое напряжение, а на выходе остается высокий уровень. Эта схема показывает идеальное поведение ИЛИ. Подключение переключателей и светодиодов ко входу лучше показывает поведение схемы, как вы можете видеть на изображениях ниже.

Случай 1: Когда на обоих входах низкий уровень, на выходе низкий

Случай 2: Когда один вход низкий, а другой высокий, выход высокий

Случай 3: И наоборот, когда другой вход низкий, выход высокий

Случай 4: И, наконец, когда на обоих входах высокий уровень, на выходе высокий

Как видите, схема работает и следует таблице истинности, которую мы обсуждали ранее.Вы можете остановиться здесь, если вам нравится эта грубая схема, но если вы хотите внести некоторые улучшения в схему, читайте дальше.

OR Затвор с использованием транзистора — улучшенная версия

Схема, показанная выше, была очень простой реализацией логического элемента ИЛИ, но эта схема редко используется при производстве ИС по нескольким причинам. Если мы подключим один вход к V _CC , переключатель к другому входу и проверим вход, переключатель и триггер по переднему фронту переключателя, мы заметим небольшую проблему.

Выход становится высоким только через некоторое время, т.е. не реагирует на вход мгновенно. Время, необходимое для того, чтобы вход был виден на выходе, называется задержкой распространения . То же самое происходит при удалении ввода. Выходной сигнал требуется некоторое время, чтобы вернуться на землю.

Это происходит из-за емкости базы транзистора. Одним из решений было бы уменьшить номиналы всех резисторов, чтобы протекал больше тока и емкости заряжались быстрее.Но это приведет к слишком большому рассеянию мощности. Чтобы обойти это, мы добавляем два небольших (<10 нФ) «ускоряющих» конденсатора к базовому резистору, чтобы сократить время «хранения».

Другая проблема состоит в том, что эта схема не может потреблять столько же тока, сколько исходит от нее. Поиск источника не является проблемой, потому что хотя бы один включенный транзистор (когда хотя бы один вход имеет высокий уровень) подключен непосредственно к выходу, так что выход может обеспечивать приличное количество тока.

Однако, когда транзистор выключен, только резистор 1 кОм снижает выходной ток, и ток стока ограничивается. Чтобы сделать привод симметричным, добавлен выходной каскад двухтактный . Обе эти модификации значительно сокращают задержки нарастания и спада распространения.

Приложения OR Gates

Наряду с логическим элементом И, логический элемент ИЛИ является неотъемлемой частью всех логических схем. Например, если есть десять входов, которые микроконтроллер должен контролировать, логический элемент ИЛИ на 10 входов сообщит контроллеру, есть ли на каком-либо из входов высокий уровень, без необходимости использования десяти входных контактов.

Еще одно интересное применение логического ИЛИ — в вашем автомобиле. Сигнальная лампа ремня безопасности гаснет только тогда, когда все двери закрыты, другими словами, если одна (или хотя бы одна) из дверей открыта, загорается сигнализация.

.

Что такое логический вентиль

Что такое логический вентиль?

Логические вентили — это небольшие цифровые электронные устройства, которые выполняют логическую функцию с двумя входами и обеспечивают выход. Данные бинарные. Логическая 1 — истина или высокий, а логический 0 — ложь или низкий. В зависимости от логического элемента логическая операция и выходной сигнал различаются. Каждый логический вентиль следует за таблицей истинности, которая дает возможные комбинации ввода и соответствующего полученного вывода.

Работа каждого логического элемента может быть легко понята и похожа на сложение и умножение, которые мы уже знаем в обычной математике. Логический вентиль идентичен выключателю света, так что он включен, когда выход один, другой выключен, если производство равно 0. Различным электронным устройствам придается форма с логическими вентилями, и они используются вместе с диодами, транзисторами и реле. . Некоторые из наиболее широко используемых семейств транзисторов, такие как серия TTL 7400 от Texas Instruments и серия CMOS 4000, были изготовлены с помощью небольших логических вентилей.

Семь базовых логических вентилей

В этом разделе мы подробно обсудим семь основных логических вентилей:

И Выход

Вы можете указать логический элемент И под первичным логическим вентилем, потому что вы можете реализовать некоторые из будущих логических элементов, таких как NAND, из него. Он выполняет умножение или операцию точки (.) На логических входах. Как можно видеть, A и B — это два входа, поданные на клеммы, а O остается как выход.Если вы внимательно наблюдаете за таблицей истинности логического элемента И, выход будет высоким только тогда, когда оба входа будут высокими, иначе в других случаях выход будет низким.

Источник : www.elprocus.com

OR Выход

Гейт

OR является важным вентилем в отличие от AND, поскольку XOR и XNOR могут быть реализованы из него. Элемент ИЛИ выполняет простое сложение или операцию «+» над входами. На выходе низкий уровень или 0, только когда оба входа равны 0, а в остальных случаях на выходе высокий уровень или логическая 1.

Источник : www.elprocus.com

НЕ Выходной

Элемент

НЕ является самым простым из всех остальных логических элементов. Он выполняет операцию инверсии на одном входе. В НЕ доступен только один терминал, и если данные равны 1, производство равно 0, а если вход — 0, то выход равен 1.

Источник : www.elprocus.com

NAND Gate

Логический вентиль И, за которым следует вентиль НЕ, является фактической концепцией логического элемента И-НЕ, одного из универсальных вентилей.Когда вы инвертируете выход логического элемента И, результатом является выход, полученный на другом терминале. Посмотрите на приведенную ниже таблицу истинности, чтобы лучше понять работу NAND.

Источник : www.elprocus.com

NOR Выход

ИЛИ — это комбинация или инверсия логического элемента ИЛИ, а также универсальный логический элемент. Когда входы низкие или ложные, результирующий выход высокий или истинный.

Источник : www.elprocus.com

Ворота XOR

Шлюз

XOR также известен как эксклюзивный шлюз NOR. Когда вы наблюдаете за таблицей истинности XOR, вы можете обнаружить, что если какой-либо вход высокий, результат будет высоким или истинным.

Источник : www.elprocus.com

Выход XNOR

XNOR или исключительный элемент NOR основан на работе ворот NOR. Когда есть инверсия на воротах NOR, вы получаете ворота XNOR.Выход прямо противоположен выходу логического элемента XOR. Если любой из входов имеет высокий уровень, исключая условие обоих, выход низкий или 0.

Источник : www.elprocus.com

История логических ворот

В первую очередь, Готфрид Лейбниц усовершенствовал идею двойной системы. Он также предположил, что можно также комбинировать арифметические и логические принципы, используя двоичную систему счисления в 1705 году. Позже, в 1854 году, Джордж Буль открыл концепцию булевой алгебры, которая обеспечивает последовательный способ сравнения чисел для построения решений.Затем он опубликовал свою работу в книге под названием «Исследование законов мысли, на которых основаны математические теории логики и вероятностей». Он хотел продемонстрировать, как математическая форма может представлять человеческое мышление.

Позже, в 1886 году, концепция логической операции в электрической коммутационной цепи была описана Чарльзом Пирсом. Тем временем вентиль Флеминга стал использоваться в качестве логических вентилей, а реле были заменены электронными лампами в 1907 году. В 1954 году Вальтер Боте получил Нобелевскую премию в области физики за изобретение первого современного электронного логического элемента И в 1924 году.Затем Клод Шеннон процитировал понятие булевой алгебры в 1937 году для разработки схем переключения. Тем не менее, исследования и анализ преобладают для разработки молекулярных логических вентилей.

Почему важны логические вентили?

• Большинство электронных устройств или схем, которые мы используем в повседневной жизни, представляют собой логические вентили.
• Каждое цифровое устройство нынешнего поколения, такое как ноутбук, компьютер, планшет и мобильный телефон, использует логические вентили.Например, рассмотрим компьютерную память.

Логический вентиль

• имеет функцию хранения данных, и, следовательно, они объединяются для формирования схемы «защелки» и, когда они управляются тактовыми сигналами, создают «триггеры».
• Они известны как последовательная логика или комбинационная логика и отвечают за скорость и сложность.
• Расширенная версия, логический вентиль с тремя состояниями находит место в ЦП и шинах для выполнения множества операций, а также поддерживает плагины.
• В настоящее время CMOS — это развивающаяся технология в разработке микрочипов, в которой логические вентили являются основными функциональными блоками.
• Технические микропроцессоры, используемые в логических схемах, состоят из более чем 100 миллионов вентилей.

Символы логических вентилей

Базовое символьное представление логических вентилей было изображено в формате таблицы для облегчения понимания.

Как применяются логические вентили — изучите примеры форм

Полный сумматор

Полный сумматор — один из таких хороших примеров использования логических вентилей.Полный сумматор работает с тремя входами и дает два выхода, например Sum и Carry. Широко используется для расчетов, он выполняет операцию сложения заданных данных. Этот процесс занимает секунды, так как время переключения меньше, чем у аналоговых схем. Сумматор с упреждающим переносом, сумматор BCD и полусумматор — это другие категории приложений сумматора, используемых в цифровых каналах.

Источник : www.geeksforgeeks.org

7-сегментный дисплей в калькуляторе

Надеюсь, вы использовали калькуляторы, и это наш следующий пример, который показывает комбинации логических вентилей. Хотя мы вводим наши данные в виде чисел, именно это происходит внутри устройства. Каждый сегмент, включенный в дисплей, подключен к набору логических соединений шлюза и обозначается как a, b, c, d, e, f и, g. Например, когда вы нажимаете 1 в интерфейсе, происходит описанный ниже процесс, и сегменты f и e выделяются или светятся на дисплее.

Источник : www.explainthatstuff.com

Как создать логический вентиль с помощью Edraw Max?

Вы собираетесь разработать электрическую схему? Нужен интерактивный инструмент, который упростит процесс проектирования? EdrawMax доступен для вас по адресу https://www.edrawmax.com/online/

, что упростит вашу работу.

Перед тем, как начать процесс проектирования, вы должны иметь четкое представление о требованиях к схеме и спланировать, как их разместить без путаницы.Вы также можете оформить документы о том, каким он должен быть, поскольку это упростит ваш процесс за считанные минуты.

• Шаг 1: Загрузите и запустите программное обеспечение на своем устройстве или войдите на сайт Edraw Max.
• Шаг 2: После завершения откройте программное обеспечение и нажмите «Библиотеки» на панели инструментов.
• Шаг 3: Выберите опцию «Схемы и логическая схема», и вы увидите некоторые из опций, такие как «Аналоговая и цифровая логика» и «Компоненты интегральной схемы.”
• Шаг 4: Щелкните опцию «Аналоговая и цифровая логика» в библиотеке и начните создавать аналоговую схему с помощью функций логического элемента, которые появляются слева.
• Шаг 5: После вставки ворот вы можете настроить их, нажав кнопку настройки. Вы можете изменить тип ворот, вход и выход.

Ограничения логических вентилей

Хотя логические вентили пользуются большой популярностью, существуют определенные ограничения:

• Для более сложной системы или схемы, реализация логического элемента невозможна, так как может возникнуть путаница при их правильном размещении и соединении.
• Схемы, использующие реализацию логического элемента, потребляют больше энергии, чем допустимо.

Для логических схем

• требуются аккумуляторные батареи или портативные источники питания.

Статьи по теме

.

Как работают логические вентили в цифровой электронике | ОРЕЛ

Бинарный мир единиц и нулей сам по себе не позволяет нам повторно приземлять ракеты посреди океана, доставлять посылки за считанные минуты с помощью дронов или наносить на карту известную физическую вселенную и все ее чудеса. Нет, что делает все это возможным, так это наша способность разрезать двоичные числа во всех их бесконечных возможностях с помощью сложной математики. Наша способность складывать, вычитать, умножать и делить двоичные числа различными способами — вот что позволило нам создать мир цифровой электроники, который мы знаем сегодня.Чтобы перейти от нулей к последним достижениям в медицине, освоении космоса и науке, вам нужно начать с логических ворот.

На ферме

Допустим, вы живете на ферме, и у вас есть стая кур, которых нужно разводить на хорошем участке земли. Каждое утро вы просыпаетесь, открываете ворота на свою ферму и отпускаете цыплят на пастбище. Эти ворота — ваш метод контроля за потоком цыплят на ферму и из нее, а также в достижении ваших целей по созданию счастливых и здоровых существ, которые годами продолжают откладывать яйца.

Выходы бывают разных видов, для кур — для яиц, для электроники — для напряжения!

В компьютере мы также можем использовать ворота для управления потоком и достижения конечной цели, но вместо цыплят мы контролируем поток электрического тока, который проходит по цепи. Этот затвор в мире цифровой электроники известен как транзистор и может находиться в одном из двух состояний: включен или выключен, а также открыт или закрыт, если вы хотите думать о нем как о затворе. Когда транзистор включен или открыт, через него может протекать электрический ток.А когда он выключен, ток не течет.

Когда вы соединяете связку этих транзисторов вместе, вы получаете так называемый логический вентиль , который позволяет вам складывать, вычитать, умножать и делить двоичные числа любым возможным способом. В физической схеме эти логические элементы имеют:

• Входы . Всем логическим элементам требуется какое-то входное значение, чтобы у них были числа для сравнения. Эти цифры представлены в виде напряжений. Когда у вас входное напряжение 0 В, оно считается низким или 0.А когда на входе напряжение 5 В, оно считается высоким, или 1.
• Выходы . Как только логический вентиль получает возможность обработать ваш ввод, он может принять решение о том, открыть ли его вентиль или оставить его закрытым. Этот выход полностью определяется типом используемого логического элемента, и некоторые из них будут открываться только при наличии двух высоких напряжений на входе, тогда как другие откроются только при низком напряжении, но не при высоком напряжении на входе. .

Используя комбинацию высокого и низкого напряжения и отправляя их через вход логического элемента, мы можем творить удивительные вещи.Но, в конце концов, мы все еще работаем над некоторыми фундаментальными вопросами — хотим ли мы позволить определенному логическому элементу пропускать электрический ток или нет? Хотя на индивидуальном уровне это может показаться упрощенным, объединение всей этой логики и принятия решений воедино — вот как мы пришли к созданию удивительной цифровой электроники за такой короткий период истории. Но действительно ли логические ворота являются чем-то новым?

Концепции старше, чем вы думаете

Логические ворота существуют дольше, чем вы живете, в различных формах компьютерных технологий.То, что начиналось как механические релейные переключатели, состоящие из электромагнита и набора контактов, вскоре превратилось в электронные лампы для использования в телевизорах, лампочках и т. Д. В 1900-х годах. И хотя эти электронные лампы были намного быстрее своих релейных аналогов, они были такими же громоздкими и ненадежными, что привело нас к созданию транзистора в 1947 году.

Транзисторы были идеальными. Они были надежны, потребляли меньше энергии, чем электронные лампы и реле, и были невероятно маленькими по размеру.Несмотря на различие в размерах и форме, функции реле, электронных ламп и транзисторов были одинаковыми. Они работали как переключатель для управления потоком электричества на основе некоторого входного напряжения.

Первый транзистор во всей красе, прославленный Bell Labs (Источник изображения)

В 1960-х годах мы начали собирать набор транзисторов, что привело к созданию первой интегральной схемы, открывшей век современных компьютеров.Эти ИС начинались с простого, втиснув примерно 20 транзисторов в кремниевый кристалл квадратной формы 3 мм с другими компонентами, такими как резисторы и диоды. Самые ранние ИС назывались маломасштабными интегрированными (SSI) ИС.

Производство микросхем продолжало развиваться, и вскоре в первый микропроцессор, выпущенный Intel в 1974 году, было встроено 4800 транзисторов. Сегодня мы живем в эпоху интегральных микросхем очень большого размера (СБИС), которые могут вместить миллионы и даже миллиарды транзисторов в один крошечный корпус.Все эти интегральные схемы представляют собой математические электростанции, объединяющие головокружительное количество логических вентилей с помощью транзисторов, позволяющих складывать, вычитать, умножать и делить числа по своему усмотрению.

Отличный наглядный пример того, как далеко продвинулись интегральные схемы, теперь упакованные в миллионы транзисторов. (Источник изображения)

Логические ворота и цыплята

Существует множество логических вентилей, включая AND, OR, NOT, XOR, NAND и NOR. Каждый из этих логических вентилей имеет очень специфический способ обработки входных и выходных данных, которые он производит.Но независимо от того, о каком логическом элементе идет речь, входы и выходы разбивают все на два двоичных числа, составляющих цифровую электронику, 1 и 0.

И Ворота

Вернемся на минутку на нашу ферму. Допустим, мы хотим выпустить одну из наших кур, но только если она будет с петухом, чтобы она могла иметь некоторую защиту на нашем пастбище. В этом случае наша курица и петух зависят друг от друга. Если курица и петух вместе, то мы можем пропустить их через наши ворота на пастбище.

Вот как вентиль И работает в электронной схеме. Единственный способ получить высокий выход 1 — это установить на обоих входах 1 с. Давайте разберемся с этим и посмотрим, как это работает, используя наших цыплят в трех сценариях:

• Если у нас будут курица И петух у ворот, то мы ворота откроем.
• Если у нас есть курица И нет петуха у ворот, то мы будем держать ворота закрытыми.
• И если у нас нет курицы И нет петуха у наших ворот, тогда мы будем держать ворота закрытыми.

Видите схему здесь? Оба входа ворот И полностью зависят друг от друга. Вы не можете иметь одно без другого, чтобы получить на выходе 1. Вот как все это будет разбито на так называемую таблицу истинности, где A и B являются входами, а Q — выходом:

Как видите, единственный способ получить 1 для выхода — это иметь два одинаковых входа. В противном случае затвор в транзисторе останется закрытым, и электричество не сможет проходить через него.Вот как ворота И будут выглядеть на схеме.

Логический вентиль И с двумя входами и одним выходом.

OR Выход

Снова на нашей ферме, допустим, на этот раз мы поставили забор, поэтому мы не слишком беспокоимся о том, что наши цыплята выйдут с петухом для защиты. В этом примере наша курица и петух не зависят друг от друга, поэтому, если к нашим воротам приблизится курица ИЛИ петух, мы откроем их для них.

С вентилем OR вам нужно, чтобы только один из ваших входов был 1, чтобы выход также был 1.Вот как это было бы в нашем сценарии с курицей:

• Если у нас у ворот будет курица ИЛИ петух, то ворота откроем.
• Если у нас есть курица ИЛИ нет петуха у наших ворот, то мы откроем ворота.
• Если у нас нет курицы ИЛИ петуха у ворот, то мы будем держать ворота закрытыми.

Картина здесь тоже довольно четкая. Оба наших входа не зависят друг от друга, и пока один из них присутствует, наши ворота открываются.Вот как все это будет выглядеть в таблице истинности, где A и B являются входами, а Q — выходом:

Если вы хотите быстро идентифицировать вентиль OR на схеме, обратите внимание на этот символ:

Логический элемент ИЛИ, для которого требуется только один вход 1.

НЕ Ворота

Ворота НЕ немного усложняют нашу аналогию с курицей, так что давайте попробуем что-нибудь еще. Допустим, у вас на ферме тоже есть козы, но вы никогда не хотите выпускать их за ворота.Так что даже если у нас есть коза у наших ворот НЕ , которая действительно хочет выйти, мы не собираемся открывать ворота. Несмотря на то, что наш козел представляет 1 в нашем логическом элементе в качестве входа, вентиль НЕ всегда дает противоположный выход.

Но предположим, что коза уходит от наших ворот, теперь у нас есть 0 в качестве входных данных, что означает отсутствие козы. Согласно нашим воротам , НЕ , на выходе будет 1, что означает, что мы можем держать ворота открытыми, пока поблизости нет коз.

НЕ, ворота немного странны по сравнению с другими воротами, поскольку они всегда делают полную противоположность любому входному значению, которое вы им предоставляете. Этим воротам также требуется только один вход для выдачи своего выхода, тогда как другим воротам всегда потребуется два входа. Вот как комбинации для ворот НЕ будут выглядеть в таблице истинности, где A является единственным входом, а Q — выходом:

И довольно легко обнаружить вентиль НЕ на схеме, просто найдите логический вентиль только с одним входом и одним выходом.

Логический элемент НЕ предоставляет в качестве выхода значение, противоположное его входному значению.

Ворота XOR

Возвращаясь к нашей ферме, у нас есть вентиль XOR , который похож на логический элемент ИЛИ, за исключением того, что если присутствуют оба наших входа, то ворота останутся закрытыми. Вы можете думать о вентиле XOR как о своего рода ситуации «или-или». Например:

• Если у нас у ворот ЛИБО курица ИЛИ петух, то мы откроем ворота.
• Если у наших ворот нет курицы или петуха, то мы будем держать ворота закрытыми.
• Если у нас есть и цыпленок, и петух у наших ворот, то мы будем держать ворота закрытыми.

Другой способ понять вентиль XOR заключается в следующем: вы всегда будете получать на выходе 1, если ваши входы представляют собой смесь 1 и 0. И если у вас есть два одинаковых входа, например 0 и 0 или 1 и 1, тогда вы получите 0 для вывода. Вот как все комбинации вентилей XOR будут выглядеть в таблице истинности, где A и B являются входами, а Q — выходом:

И чтобы поместить вентиль XOR на схему, обратите внимание на этот символ:

Логический вентиль XOR работает так же, как вентиль ИЛИ, за исключением случаев, когда присутствуют оба входа.

XNOR Ворота

Этот вентиль представляет собой комбинацию вентилей XOR и НЕ . Таким образом, выходы будут равны 1, если входы одинаковы, независимо от того, являются ли они 1 или 0. И если входы разные, на выходе будет 0 или ложь. Для наших цыплят мы можем использовать ворота XNOR, чтобы открывать наши ворота только тогда, когда пара курица и петух отправляется вместе, или если нет курицы или петухов вместе. Например:

• Если у нас у ворот будет курица ИЛИ петух, то ворота откроем.
• Если у наших ворот будет курица, но нет петуха, то мы будем держать ворота закрытыми.
• Если у нас на воротах не будет курицы ИЛИ петуха, то мы откроем ворота.

И вот как все это будет разбито в таблицу истинности, где A и B являются входами, а Q — выходом:

Схематический символ логического элемента XNOR очень похож на логический элемент XOR с добавлением точки в конце вывода:

Логический вентиль XNOR возвращает только 1 выходное значение, если два входа одинаковы.

NAND Gate

Этот вентиль работает аналогично вентилю И , за исключением того, что, когда у вас есть два входа по 1, вы всегда получите выход 0. Итак, предположим, что мы хотим выпускать наших цыплят только по одному, но не с петухом. Гейт NAND — именно то, что нам нужно для этого:

• Если у нас у ворот есть и цыпленок, и петух, то мы НЕ откроем ворота.
• Если у нас есть курица И не будет петуха у наших ворот, то мы откроем ворота.
• Если у нас не будет курицы и петуха у ворот, тогда мы откроем ворота.

Если вы застряли на этом, то попробуйте думать об этом так: вентиль NAND работает как вентиль И , так и вентиль НЕ . Сначала он сравнивает два значения, используя логику И , а затем выдает противоположный вывод на основе логики И . Вот как все это разбивается в таблицу истинности, где A и B являются входами, а Q — выходом:

И если вам нужно работать с логическим элементом NAND на схеме, вот символ, который нужно искать:

Логический элемент И-НЕ возвращает выход 0, когда оба входа равны 1.

NOR Ворота

Нашими последними и последними воротами для работы на нашей ферме являются ворота NOR , которые очень похожи на ворота NAND в том, что они имеют выход, противоположный тому, что вы могли ожидать. Вентиль ИЛИ будет работать так же, как вентиль ИЛИ , за исключением того, что его выход противоположен выходу вентиля ИЛИ . Например, вернувшись на нашу ферму, предположим, что на улице бушует жестокий шторм, и мы не хотим выпускать цыплят на пастбище.Ворота NOR — именно то, что нам нужно:

• Если у нас у ворот будет курица ИЛИ петух, то мы ворота не откроем.
• Если у нас есть курица ИЛИ нет петуха у ворот, то мы не откроем ворота.
• Если все наши куры в безопасности в своих курятниках, а не у наших ворот, то мы откроем ворота.

Все еще с нами? Ворота NOR работают как ворота OR , так и ворота NOT . Сначала он сравнивает два значения, используя логику OR , а затем обеспечивает противоположный вывод на основе логики OR .Вот как все это будет разложено в таблице истинности, где A и B являются входами, а Q — выходом:

И если вы ищете ворота NOR на схеме, найдите этот символ:

Логический вентиль ИЛИ-НЕ работает так же, как вентиль ИЛИ с противоположным выходом.

Они супер калькуляторы

Хотя отдельные логические ворота на своей поверхности все относительно просты и понятны, именно сочетание этих ворот вместе действительно раскрывает их сверхспособности.Используя комбинацию логических вентилей вместе в интегральной схеме, вы можете выполнять невероятно сложные вычисления. И чем больше логических вентилей вы поместите в одно и то же физическое пространство, тем быстрее вы сможете вычислить! Куда бы вы ни посмотрели в мире цифровой электроники, у вас есть логические ворота, которые делают все тяжелые математические действия, чтобы происходить удивительные вещи. Так что в следующий раз, когда вы услышите красивую музыку, льющуюся из ваших динамиков, или вы, не задумываясь, наблюдаете за приземлением ракеты SpaceX посреди океана, помните, что вам нужно благодарить логические ворота, неустанно работая за кулисами.

Готовы экспериментировать со своими собственными логическими воротами? Попробуйте Autodesk EAGLE бесплатно!

.