Логический элемент 2и. Логические элементы: принципы работы, схемы и характеристики

Что такое логические элементы. Как работают основные логические элементы И, ИЛИ, НЕ. Какие бывают виды логических элементов. Как реализуются логические элементы на различных компонентах. Какими характеристиками обладают логические элементы.

Основные понятия логических элементов

Логические элементы — это базовые электронные схемы, выполняющие простейшие логические операции. Они являются основой для построения более сложных цифровых устройств и систем.

Ключевые особенности логических элементов:

• Выполняют элементарные логические функции (И, ИЛИ, НЕ и их комбинации)
• Имеют два устойчивых состояния — логический 0 и логическая 1
• Состояние на выходе однозначно определяется комбинацией сигналов на входах
• Являются основой для построения комбинационных схем

Основные виды логических элементов

Наиболее распространенными логическими элементами являются:

• И (AND) — выход равен 1, только если все входы равны 1
• ИЛИ (OR) — выход равен 1, если хотя бы один вход равен 1
• НЕ (NOT) — инвертирует входной сигнал
• И-НЕ (NAND) — инвертированный выход элемента И
• ИЛИ-НЕ (NOR) — инвертированный выход элемента ИЛИ
• Исключающее ИЛИ (XOR) — выход равен 1, если входы не равны

Элементы И-НЕ и ИЛИ-НЕ являются функционально полными, то есть с их помощью можно реализовать любую логическую функцию.

Контактно-релейные схемы логических элементов

Простейшая реализация логических элементов возможна с помощью контактно-релейных схем:

• И — последовательное соединение контактов
• ИЛИ — параллельное соединение контактов
• НЕ — нормально замкнутый контакт реле

Такие схемы наглядно демонстрируют принцип работы логических элементов, но имеют низкое быстродействие и большие размеры.

Диодно-резистивные логические элементы

Простейшие электронные логические элементы можно реализовать на диодах и резисторах:

• И — последовательное соединение диодов
• ИЛИ — параллельное соединение диодов

Основные особенности:

• Простота схемы
• Низкое быстродействие
• Несимметричные уровни логического 0 и 1
• Низкая нагрузочная способность

Диодно-резистивные элементы применялись на ранних этапах развития цифровой электроники.

Диодно-транзисторные логические элементы

Дальнейшее развитие электронных логических элементов привело к появлению диодно-транзисторной логики (ДТЛ):

• Диоды реализуют логическую функцию
• Транзистор работает как инвертор и усилитель

Преимущества ДТЛ элементов:

• Повышенное быстродействие
• Улучшенная нагрузочная способность
• Симметричные уровни логического 0 и 1

ДТЛ элементы широко применялись в первых поколениях цифровых интегральных микросхем.

Транзисторно-транзисторные логические элементы

Дальнейшим развитием стала транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ):

• Многоэмиттерный транзистор на входе выполняет логическую функцию
• Сложный инвертор на выходе повышает нагрузочную способность

Основные преимущества ТТЛ:

• Высокое быстродействие
• Хорошая нагрузочная способность
• Высокая помехоустойчивость
• Низкая потребляемая мощность

ТТЛ элементы стали основой для создания серий цифровых интегральных микросхем, широко применяемых до настоящего времени.

Логические элементы на полевых транзисторах

Современные логические элементы часто реализуются на полевых транзисторах:

• МОП-транзисторы с индуцированным каналом
• КМОП-структуры из комплементарных n- и p-канальных транзисторов

Преимущества КМОП логических элементов:

• Сверхнизкое энергопотребление в статическом режиме
• Высокая степень интеграции
• Широкий диапазон питающих напряжений
• Высокая помехоустойчивость

КМОП-элементы стали основой для создания современных сверхбольших интегральных схем.

Характеристики логических элементов

Основные параметры, характеризующие работу логических элементов:

• Напряжения логического нуля и единицы
• Помехоустойчивость
• Быстродействие (время задержки распространения)
• Потребляемая мощность
• Коэффициент разветвления по выходу
• Нагрузочная способность

Эти характеристики определяют возможности применения логических элементов в различных цифровых устройствах.

Применение логических элементов

Логические элементы являются основой для построения более сложных цифровых устройств:

• Комбинационные схемы (шифраторы, дешифраторы, мультиплексоры и т.д.)
• Последовательностные схемы (триггеры, регистры, счетчики)
• Арифметико-логические устройства
• Запоминающие устройства
• Микропроцессоры и микроконтроллеры

Понимание принципов работы базовых логических элементов необходимо для проектирования любых цифровых систем.

Логический элемент 2И-НЕ КМОП и его характеристики

 

1.3.  Логический элемент 2И-НЕ КМОП и его характеристики

 

Рассмотрим схему логического элемента 2И-НЕ на микросхемах КМОП серии, приведенную на рисунке 1.24,а. При рассмотрении принципа работы логического элемента схему рисунка 1.24,а можно заменить эквивалентной схемой, приведенной на рисунке 1.24,б. На эквивалентной схеме сопротивления резисторов равны сопротивлениям между выводами сток-исток соответствующих полевых транзисторов.

Пунктирными линиями, идущими к резисторам  R1–R4, отражается тот факт, что сопротивления указанных резисторов зависят от положения переключателей SA1, SA2. Закрытому транзистору соответствует сопротивление десятки МОм, а открытому – сотни Ом.

Выберем напряжение питания  микросхемы 9 В. Пусть на входах Х1, Х2 действуют напряжения,  соответствующие логическим нулям. В этом случае транзисторы VТ1,VТ2, будут открыты, а транзисторы  VТ3, VТ4 закрыты. Эквивалентная схема для этого случая приведена на рисунке 1.25,а. Для закрытых транзисторов между выводами сток-исток на схеме показан разрыв электрической цепи, а для открытых транзисторов между указанными выводами сопротивление мало. Рассматривая делитель напряжения в цепи питания, приходим к выводу, что на выходе логического элемента будет напряжение логической единицы.

Эквивалентные схемы логического элемента 2И-НЕ  КМОП еще для трех случаев приведены на рисунке 1.25.

Для исследования зависимостей выходного напряжения от тока нагрузки для логических элементов КМОП используют те же схемы подключения приборов, что и для ТТЛ. Следует, однако, учитывать, что логические элементы КМОП не допускают короткого замыкания на выходе элемента в состоянии логической единицы. Для снятия зависимости выходного напряжения от тока нагрузки в состоянии логической единицы на выходе элемента собирают приборы по схеме, приведенной на рисунке 1.26,а.  На рисунке 1.

26,б приведена схема подключения приборов для снятия зависимости выходного напряжения от тока нагрузки в состоянии логического нуля на выходе элемента. Напряжение логической единицы и напряжение логического нуля зависят от выбранного напряжения питания логического элемента. При конструировании цифровых устройств необходимо в справочной литературе найти максимально допустимые токи нагрузки для используемых микросхем. Если таких данных нет, то рекомендуется не допускать напряжение логической единицы менее 0,9-0,8 от напряжения питания, а напряжение логического нуля — более 0,1-0,2  от напряжения питания.

Если сопротивление нагрузки очень велико (нагрузкой являются логические элементы КМОП), то в статическом режиме напряжение логической единицы на выходе элемента равно напряжению питания, а напряжение логического нуля – нуль вольт. Напряжение логического нуля для КМОП элемента отличается от нуля, если к выходу КМОП элемента подключен элемент ТТЛ.

Зависимости выходного напряжения от тока нагрузки в состоянии логической единицы и логического нуля на выходе элемента показаны соответственно на рисунке 1. 27,а,б.

 Передаточная характеристика элемента 2И-НЕ микросхемы К561ЛА7 приведена на рисунке 1.27,в. Особенностью передаточной характеристики логических элементов КМОП является то, что изменение состояния на выходе элемента происходит при входном напряжении, примерно равным половине напряжения питания.

Для снятия передаточной характеристики логического элемента 2И-НЕ КМОП при различных питающих напряжениях удобно собрать приборы по схеме, приведенной на рисунке 1.28. Амплитуда переменного входного напряжения не должна превышать 15 В (напряжение питания микросхем КМОП).

Входную характеристику логических элементов КМОП не снимают, т.к. эти элементы имеют очень большое входное сопротивление, которое для многих случаев можно считать бесконечно большим.

Схема логического элемента 2ИЛИ-НЕ КМОП приведена на рисунке 1.29. Анализ работы этого элемента легко провести самостоятельно по аналогии с анализом работы элемента 2И-НЕ.

Логические элементы КМОП в статическом режиме практически не потребляют ток от источника питания, если нагрузка логического элемента отключена.  Как и в случае ТТЛ микросхем, в момент быстрого переключения элемента из одного состояния в другое возникают токи короткого замыкания. С увеличением частоты переключения ток, потребляемый микросхемой от источника питания, будет возрастать. На рисунке 1.30,а показана зависимость  потребляемой мощности от источника питания в зависимости от частоты переключения.

На рисунке 1.30,б приведена схема подключения приборов для снятия зависимости потребляемой микросхемой мощности в зависимости от частоты прямоугольных импульсов напряжения на входе элемента. Электронный ключ на транзисторе VT1 с ускоряющим конденсатором С1 позволяет получить импульсы необходимой амплитуды.

 

 

Логические элементы

 

Глава 1. КОМБИНАЦИОННЫЕ СХЕМЫ И ЦИФРОВЫЕ АВТОМАТЫ

 

1. 1.  Логические элементы

Различают комбинационные схемы и цифровые автоматы. В комбинационных схемах состояние на выходе в данный момент времени однозначно определяется состояниями на входах в тот же момент времени. Комбинационными схемами, например, являются логические элементы И, ИЛИ, НЕ и их комбинации. В цифровом автомате состояние на выходе определяется не только состояниями на входах в данный момент времени, но и предыдущим состоянием системы. К цифровым автоматам относятся триггеры.

Логическими элементами называются элементы, выполняющие логические операции И, ИЛИ, НЕ и комбинации этих операций. Указанные логические операции можно реализовать с помощью контактно-релейных схем  и с помощью электронных схем. В настоящее время  в подавляющем большинстве применяется  электронные логические элементы, причем электронные логические элементы входят в состав микросхем. Имея в распоряжении логические элементы И, ИЛИ, НЕ, можно сконструировать цифровое электронное устройство любой сложности. Электронная часть любого компьютера состоит из логических элементов.

Система простых логических функций, на основе которой можно получить любую логическую функцию, называется функционально полной.

 Отсюда следует, что для построения логического устройства любой сложности достаточно иметь однотипные логические элементы, например, И-НЕ  или ИЛИ-НЕ.

Логические элементы могут работать в режимах положительной и отрицательной логики. Для электронных логических элементов в режиме положительной логики логической единице соответствует высокий уровень напряжения, а логическому нулю — низкий уровень напряжения. В режиме отрицательной логики логической единице соответствует низкий уровень напряжения, а логическому нулю — высокий.

Для контактно-релейных схем в режиме положительной логики логической единице соответствует замкнутый контакт ключа или реле, а логическому нулю — разомкнутый. Светящийся индикатор (лампочка, светодиод) соответствует логической единице, а несветящийся — логическому нулю.

Логические элементы, реализующие для режима положительной логики операцию И, для режима отрицательной логики выполняют операцию ИЛИ, и наоборот. Так, например, микросхема, реализующая для положительной логики функции элемента 2И-НЕ, будет выполнять для отрицательной логики функции элемента 2ИЛИ-НЕ.

Как правило, паспортное обозначение логического элемента соответствует функции, реализуемой «положительной логикой». Логические элементы И, ИЛИ, НЕ  имеют один выход, число входов логических элементов  И, ИЛИ  может быть любым начиная с двух. Логические элементы И и ИЛИ, выпускаемые в составе микросхем, обычно имеют  2, 3, 4, 8 входов. В названии элемента первая цифра указывает число входов.

Прежде всего, рассмотрим реализацию логических элементов с помощью контактно-релейных схем. Рассмотрим логический элемент  2И. Он выполняет операцию логического умножения. На рисунке 1.1,а приведена контактно-релейная схема логического элемента 2И для режима положительной логики.

Обозначение логического элемента 2И на принципиальных схемах  показано на рисунке 1.1,б. Знак  & (амперсант) в левом верхнем углу прямоугольника  указывает, что это логический элемент И. Первые две буквы обозначения  DD1.2  указывают на то, что это цифровая микросхема, цифра слева от  точки указывает номер микросхемы на принципиальной схеме, а цифра справа от точки – номер логического элемента в составе данной микросхемы.

Функционирование логического элемента обычно задают  таблицей  истинности. Контактно-релейная схема логического элемента 2И (режим положительной логики) позволяет легко составить таблицу истинности этого элемента. Так как микросхема имеет для подачи входных сигналов два входа, то возможны  2²=4 различных комбинации входных сигналов. Необходимо проанализировать состояние лампочки при различных положениях тумблеров Sa1, Sa2, т.е. рассмотреть 4 различных комбинации состояний тумблеров (рис. 1.1,в).   

Введение понятия активного логического уровня существенно облегчает анализ функционирования сложных цифровых устройств. Активным логическим уровнем на входе элемента (логический нуль, логическая единица) называется такой уровень, который однозначно задает состояние на выходе элемента независимо от логических уровней на остальных входах элемента. Активный логический уровень на одном из входов элемента определяет уровень на его выходе. Уровни, обратные активным, называются пассивными логическими уровнями.

Активным логическим уровнем для элементов И является логический нуль. Пусть, например, имеем логический элемент 8И.  Необходимо проанализировать 2⁸=256 различных состояний для составления таблицы истинности этого элемента. Воспользуемся понятием активного логического уровня. Если хотя бы на одном из входов этого элемента будет активный логический уровень, то состояние на выходе элемента определено однозначно и нет необходимости анализировать состояния на остальных входах элемента.

 Таким образом, таблицу истинности логического элемента 8И можно свести к двум строчкам: на выходе этого элемента будет логическая единица, если на всех входах будут сигналы логической единицы и на выходе будет логический нуль, если хотя бы на одном из входов элемента будет сигнал логического нуля.

Логический элемент 2ИЛИ выполняет логическую операцию логического сложения  у=х1+х2. Контактно-релейная схема элемента приведена на рисунке 1.2,а, а его условное обозначение – на рисунке 1.2,б. Знание контактно-релейной схемы элемента позволяет составить таблицу истинности (рис.1.2,в). Лампочка будет гореть, если замкнуты контакты хотя бы одного тумблера, т.е. активным логическим уровнем для элементов ИЛИ является уровень логической единицы.

Логический элемент НЕ выполняет операцию отрицания, и для этого элемента проще составить сразу таблицу истинности, а не вычерчивать сначала контактно-релейную схему, а затем по ней составлять таблицу истинности. Для логических элементов И и ИЛИ проще сначала вычертить контактно-релейную схему, а уже потом составлять таблицу истинности.

Напомним алгоритм работы электромагнитного реле с нормально замкнутыми контактами: при отсутствии электрического тока через обмотку реле контакты реле замкнуты, а при протекании достаточного тока через обмотку реле контакты реле разомкнуты. Контактно релейная схема элемента НЕ приведена на рисунке 1.3а, а его условное обозначение – на рисунке 1.3б.

Проанализируем работу контактно-релейной схемы логического элемента НЕ (рис. 1.3а). Если контакты ключа Sa1 разомкнуты, то через обмотку К электромагнитного реле ток протекать не будет. Контакты К1.1 (цифра слева от точки указывает номер реле на принципиальной схеме, а цифра справа  – номер контактной группы данного реле) будут замкнуты (электромагнитное реле с нормально замкнутыми контактами). Электрическая лампочка HL1 в этом случае будет гореть, что для режима положительной логики будет означать логическую единицу. При замкнутых контактах ключа Sa1 (на входе элемента логическая единица) через обмотку реле протекает ток, достаточный для размыкания контактов К1.1,  поэтому лампочка перестает гореть (логический нуль). В результате анализа мы получили, что сигнал на выходе элемента противоположен сигналу на входе, т.е. если на входе элемента сигнал логической единицы, то на выходе элемента сигнал логического нуля и наоборот (рис. 1.3,в).

При анализе работы логических элементов следует помнить о режиме их работы (режим положительной или отрицательной логики). Логические элементы, реализующие для режима положительной логики операцию И, для

режима отрицательной логики выполняют операцию ИЛИ и наоборот.  Решим следующую задачу.

Задача. Какую логическую операцию выполняет контактно-релейная схема, приведенная на рисунке 1.4.

Правильным ответом в этой задаче будет следующий. Указанная контактно-релейная схема выполняет операцию 3И для режима положительной логики и 3ИЛИ для режима отрицательной логики (решение обосновать самостоятельно).

В практической работе широко используются комбинации логических элементов и особенно элементы И-НЕ и ИЛИ-НЕ. Рассмотрим подробнее контактно-релейную схему элемента 2ИЛИ-НЕ, приведенную на рисунке 1.5,а. Условное обозначение элемента на принципиальных схемах показано на рисунке 1.5,б. Заполним таблицу истинности, приведенную на рисунке 1. 5в. Если оба ключа разомкнуты (Х1=0, Х2=0), то лампочка HL1 горит, что соответствует логической единице на выходе элемента (Y=1). Замкнем контакты ключа Sa1 (Х1=1), оставляя ключ Sa2 разомкнутым (Х2=0). Лампочка HL1 в этом случае не горит (Y=0). Если замкнут хотя бы один ключ, то лампочка не горит. Следовательно, активным логическим уровнем на входе элемента ИЛИ-НЕ является уровень логической единицы.

Для двух аргументов логического элемента возможны 16 логических функций. В данном пособии рассматриваются логические функции: логическое И, логическое ИЛИ, логическое НЕ, логическое И-НЕ, логическое ИЛИ-НЕ, сумма по модулю 2.

В таблице 1.1 приведены условные обозначения элементов 2И, 2ИЛИ, НЕ, 2И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ, исключающее ИЛИ (сумма по модулю 2), условные обозначения выполняемых этими элементами логических операций, таблицы их истинности и контактно-релейные схемы. При анализе контактно-релейной схемы элемента исключающее ИЛИ необходимо учитывать, что положения переключателей SA1 и SA2 в таблице 1. 1 соответствуют логическим единицам (верхнее положение подвижного контакта переключателя соответствует логической единице), т.е. Х1=1 и Х2=1. Лампочка HL1 горит лишь в том случае, когда подвижный контакт одного из переключателей находится в верхнем положении, а подвижный контакт второго переключателя в нижнем положении. Из анализа работы данной контактно-релейной схемы получаем таблицу истинности элемента исключающее ИЛИ.

Рассмотрим решение следующей задачи: имея в распоряжении логические  элементы 2И-НЕ, сконструировать устройство,  реализующее операцию  3ИЛИ-НЕ для режима положительной логики. Эту  задачу решим в  два этапа. Сначала сконструируем устройство, выполняющее операцию 3И-НЕ для режима положительной логики (рис. 1.6,а), а потом на входах и выходе элемента 3И-НЕ установим логические элементы НЕ (рис. 1.6,б).

По мере развития вычислительной техники электронные логические элементы совершенствовались. Рассмотрим принципиальную схему логического элемента 2И (рис. 1.7,а), построенного на диодах и резисторах. Для простоты рассмотрения будем считать, что напряжение  логического «0» на входе элемента равно 0 В, а напряжение логической  «1» — 5 В. Внутреннее сопротивление вольтметра значительно больше сопротивления резистора R1.

Вспомним особенности вольтамперной характеристики полупроводникового кремниевого диода небольшой мощности. При обратном напряжении ток, протекающий через диод, составляет десятые доли микроампера. Напряжение на диоде при протекании через него в прямом направлении тока в десятки миллиампер, равно приблизительно 0,7-0,8 В. Определим примерно параметры логических уровней на выходах данного элемента, если на входе действуют логические уровни с указанными ранее параметрами. Если на оба входа поданы напряжения логических «1», то токи через диоды VD1 и VD2 не протекают, и напряжение на выходе элемента при условии, что сопротивление  нагрузки значительно больше сопротивления резистора R1,  будет примерно равно напряжению питания. Если хотя бы один из входов элемента соединить с минусовым проводом источника питания, то на выходе элемента в случае кремниевых диодов будет напряжение 0,7 — 0,8 В (зависит от сопротивления резистора  R1 и напряжения источника питания).

Примечание: для рассмотренного логического элемента логическая «1» на входе будет, если вход никуда не подключен или подключен к плюсовому выводу источника питания.

На рисунке 1.7,б приведена схема простого и удобного в работе стенда для исследования диодно-резистивного логического элемента 2И. Светодиоды VD3 — VD5 являются индикаторами логических сигналов на входах и выходе логического элемента. Вольтметр V  позволяет определить напряжения логической единицы и логического нуля. Для диодно-резистивного логического элемента 2И напряжение логического нуля на выходе примерно 0,7-0,8 В, а напряжение логической единицы чуть меньше напряжения на зажимах источника питания (определяется соотношением сопротивлений резистора R1 и нагрузки).

На рисунках 1. 8,а и 1.8,б приведены схемы для исследования диодно-резистивного логического элемента 2ИЛИ. Для этого элемента напряжение логического нуля на выходе равно 0 В, а напряжение логической единицы равно напряжению питания минус 0,7-0,8 В.

Следующим этапом совершенствования элементной базы цифровой техники  было создание логических  элементов  диодно-транзисторной  логики.

Рассмотрим принципиальную схему логического элемента 2И-НЕ диодно-транзисторной логики (рис. 1.9,а).

Для понимания принципа работы логического элемента  2И-НЕ диодно-транзисторной логики необходимо знать, какой вид имеет зависимость тока коллектора транзистора от напряжения база-эмиттер при постоянном напряжении эмиттер- коллектор. Эта характеристика имеет примерно такой же вид, как и прямая ветвь вольтамперной характеристики полупроводникового диода. Для кремниевых транзисторов при напряжении база-эмиттер (в прямом направлении) менее 0,5 В ток в цепи коллектор-эмиттер практически равен нулю при любых допустимых напряжениях коллектор-эмиттер (транзистор закрыт, сопротивление между коллектором и эмиттером закрытого транзистора VТ1 может достигать единиц МОм). При незначительном увеличении напряжения база-эмиттер (в прямом направлении) более 0,5 В ток коллектора значительно увеличивается, говорят, что транзистор  открывается.

Диоды VD1, VD2 и резистор R1 (рис. 1.9,а) образуют логический элемент 2И. Роль инвертора выполняет транзистор VT1. Если транзистор закрыт, то ток в цепи: плюс источника питания, резистор R2, коллектор-эмиттер транзистора VT1, минус источника питания не протекает и напряжение между эмиттером и коллектором транзистора будет равно напряжению на зажимах источника питания. Диоды VД3, VД4 необходимы для надежного закрытия транзистора VТ1, когда хотя бы на одном из входов элемента было напряжение логического нуля.

Если на обоих входах Х1, Х2 присутствуют сигналы логических единиц, транзистор VT1 открывается током базы, протекающим по цепи: плюс источника питания, резистор R1, диоды VD3, VD4, переход база-эмиттер транзистора VT1, минус источника. На выходе элемента будет напряжение 0,1-0,2 В, что соответствует логическому нулю.

На рисунке 1.9,б приведен вариант логического элемента 2И-НЕ на транзисторах. Инвертор на транзисторе VT1 не обеспечивает большую нагрузочную способность, поэтому в качестве инверторов применяют более сложные схемы. Сложный инвертор в микросхемах транзисторно-транзисторной логики будет рассмотрен чуть позже. Сейчас остановимся на принципе работы инверторов, схемы которых приведены на рисунке 1.10.

Рассмотрим делитель напряжения (делитель напряжения источника питания) образованного резистором R3 и цепью коллектор-эмиттер транзистора VТ1 (рис.1.10,а). Если на входе элемента логическая единица (подвижный контакт переключателя SA1 в верхнем положении), то транзистор VT1 открыт и в его коллекторной цепи  протекает ток. Напряжение между коллектором и эмиттером транзистора составляет десятые доли вольта (не более 0,4 В). При логическом нуле на входе элемента транзистор закрыт и напряжение на выходе элемента равно напряжению питания, что соответствует логической единице.

На рисунках 1.10,б и 1.10,в приведены схемы инверторов с использованием полевых транзисторов. Напомним устройство и принцип действия полевых транзисторов.  Существуют следующие виды полевых транзисторов: полевые транзисторы с управляющим p-n переходом, полевые транзисторы с изолированным затвором со встроенным каналом, полевые транзисторы с изолированным затвором с индуцированным каналом.   

Полевые транзисторы называются также униполярными, одноканальными. Полевой транзистор в отличие от биполярного имеет большое входное сопротивление по цепи управления. Ток в выходной цепи полевого транзистора управляется напряжением,  в то время как в биполярном транзисторе ток в выходной цепи транзистора управляется током  во входной цепи транзистора. Таким образом, мощность управления в полевом транзисторе значительно меньше, чем в биполярном.

Полевой транзистор имеет 3 вывода: исток, сток, затвор. Исток – это вывод полевого транзистора, от которого основные носители заряда идут в канал. Сток – это вывод полевого транзистора, к которому идут основные носители заряда из канала. Затвор — это вывод полевого транзистора, на который подается управляющее напряжение относительно истока или относительно стока.

Наибольшее распространение имеют схемы включения транзистора с общим истоком, когда управляющее напряжение подается на затвор  относительно истока.

В вычислительной технике в качестве электронных ключей широко используются полевые транзисторы с изолированным затвором с индуцированным каналом. Рассмотрим устройство и принцип действия  полевого транзистора с изолированным затвором с индуцированным каналом n-типа (рис. 1.11). В полупроводнике p-типа сделаны два кармана с проводимостью n-типа. Знак n⁺ указывает на большую концентрацию электронов, что делается для уменьшения сопротивлений выводов стока и истока. Металлический затвор изолирован от кристалла полупроводника.

При напряжении затвор-исток, равном  нулю, в цепи сток-исток ток не протекает  при любых допустимых напряжениях сток-исток, так как образуются два p-n  перехода, причем верхний подключен в обратном направлении.

Подадим на затвор относительно истока положительный потенциал.  В полупроводниках p-типа имеются неосновные носители заряда (электроны). Рассмотрим  движение электронов и дырок  в слое полупроводника p-типа, прилежащем к затвору. Для упрощения рассмотрения соединим область p-типа с выводом истока. Под действием электрического поля, обусловленного наличием напряжения затвор – исток, дырки будут  двигаться вправо, а электроны влево, т.е. в  полупроводнике в приграничной к затвору области концентрация дырок  уменьшается, а концентрация электронов увеличивается. При определенном напряжении затвор-исток в указанной области концентрация электронов станет больше концентрации дырок, наступит инверсия  проводимости, т.е. в приграничной к затвору области появится слой полупроводника n-типа. В этом случае в цепи сток-исток протекает ток, т.к. между выводами стока и истока появился канал n-типа. Этот канал называется индуцированным (наведенным).

Для понимания принципа работы логических элементов на полевых транзисторах необходимо знать, что собой представляет стоко-затворная характеристика полевого транзистора. Стоко-затворная характеристика полевого транзистора в схеме включения с общим истоком (исток является общим для входной и  выходной цепи) — это зависимость тока  стока от напряжения затвор-исток при постоянном напряжении сток-исток. Эта характеристика полевого транзистора с изолированным затвором с индуцированным каналом n-типа приведена на рисунке 1.12. Особенности стоко-затворных характеристик полевых транзисторов с изолированным затвором с индуцированным каналом позволяют использовать эти транзисторы в качестве электронных ключей. Сравним основные характеристики электронного ключа на полевом транзисторе с характеристиками механического ключа. Сопротивление разомкнутого механического ключа можно считать бесконечно большим (пока не наступит электрический пробой), сопротивление ключа на полевом транзисторе порядка 10 МОм. Когда контакты механического ключа замкнуты  сопротивление между контактами составляет сотые доли ома, для такого же состояния  полевого транзистора сопротивление между стоком и истоком сотни Ом.

Если на входе инвертора, схема которого приведена на рисунке 1.10,б, напряжение логической единицы, то сопротивление между выводами сток и исток транзистора мало. Сопротивление резистора R1 выбирают значительно больше сопротивления между стоком и истоком открытого полевого транзистора и, следовательно, напряжение на выходе элемента будет близко к нулю вольт. При логическом нуле на входе логического элемента НЕ полевой транзистор будет закрыт, и на выходе элемента будет напряжение, примерно равное напряжению источника питания. Это обусловлено тем, что сопротивление резистора R1 выбирают во много раз меньше сопротивления между стоком и истоком закрытого транзистора.

Рассмотрим принцип работы инвертора (логического элемента НЕ) КМОП (комплиментарный, металл, окисел, полупроводник) структуры (рис. 1.10,в). Комплиментарный означает дополняющий друг друга по типу проводимости. Микросхемы КМОП имеют транзисторы как с каналом p-типа, так и с каналом n-типа. Учтем, что сопротивление между выводами сток-исток открытого транзистора — 200-300 Ом, а сопротивление между выводами сток-исток закрытого транзистора более 10 МОм.

Выберем напряжение питания 9 В. Пусть на вход Х подано напряжение логического «0», тогда транзистор VТ2 будет закрыт, а транзистор VТ1 открыт, так как потенциал затвора транзистора VТ1 относительно истока этого же транзистора равен минус 9В. На выходе элемента логическая единица.

Подадим на вход Х напряжение, соответствующее логической единице. Для рассмотренного случая это + 9 В относительно общего провода. В этом случае транзистор VТ2 будет открыт, а транзистор VТ1 – закрыт и на выходе элемента будет напряжение логического нуля.

Рассмотрим основные параметры, которыми характеризуются цифровые микросхемы.

Помехоустойчивость U_{п, макс} – наибольшее значение напряжения помехи на входе микросхемы, при котором еще не происходит изменения уровней ее выходного напряжения.

Напряжение логической единицы U¹ – значение высокого уровня напряжения для «положительной» логики и значение низкого уровня напряжения для «отрицательной» логики.

Напряжение логического нуля U⁰ – значение низкого уровня напряжения для «положительной» логики и значение высокого уровня напряжения для «отрицательной» логики.

Пороговое напряжение логической единицы U¹_пор – наименьшее значение высокого уровня напряжения для «положительной» логики или наибольшее значение низкого уровня напряжения для «отрицательной» логики на входе микросхемы, при котором она переходит из одного устойчивого состояния в другое.

Пороговое напряжение логического нуля U⁰_пор – наибольшее значение низкого уровня напряжения для «положительной» логики или наименьшее значение высокого уровня напряжения для «отрицательной» логики на входе микросхемы, при котором она переходит из одного устойчивого состояния в другое.

Входной ток логической единицы I¹_вх – измеряется при заданном значении напряжения логической единицы.

Входной ток логического нуля I⁰_вх – измеряется при заданном значении напряжения логического нуля.

Выходной ток логической единицы I¹_вых – измеряется при заданном значении напряжения логической единицы.

Выходной ток логического нуля I⁰_вых– измеряется при заданном значении напряжения логического нуля.

Ток потребления в состоянии логической единицы I¹_пот – значение тока, потребляемого микросхемой от источников питания при логических единицах на выходах всех элементов.

Ток потребления в состоянии логического нуля I⁰_пот – значение тока, потребляемого микросхемой от источников питания при логических нулях на выходах всех элементов.

Средний ток потребления I_{пот. ср.} – значение тока, равное полусумме токов, потребляемых цифровой микросхемой от источников питания в двух устойчивых различных состояниях.

Потребляемая мощность в состоянии логической единицы Р¹_пот – значение мощности, потребляемой микросхемой от источника питания при логических единицах на выходах всех элементов.

Потребляемая мощность в состоянии логического нуля Р⁰_пот – значение мощности, потребляемой микросхемой от источника питания при логических нулях на выходах всех элементов.

Средняя потребляемая мощность Р_{пот. ср.– полусумма мощностей, потребляемых микросхемой от источников питания в двух устойчивых различных состояниях.}

Время перехода интегральной микросхемы из состояния логической единицы в состояние логического нуля t^1,0 – интервал времени, в течение которого напряжение на выходе микросхемы переходит от напряжения логической единицы к напряжению логического нуля, измеренный на уровнях напряжения 0,1 и 0,9 от амплитуды импульса.

Время перехода интегральной микросхемы из состояния логического нуля в состояние логической единицы t^0,1 – интервал времени, в течение которого напряжение на выходе микросхемы переходит от напряжения логического нуля к напряжению логической единицы, измеренный на уровнях напряжения 0,1 и 0,9 от амплитуды импульса.

Время задержки распространения сигнала при включении t^1,0_{зд, р} – интервал времени между входным и выходным импульсами при переходе напряжения на выходе микросхемы от напряжения логической единицы к напряжению логического нуля, измеренный на уровне 0,5 амплитуды.

Время задержки распространения сигнала при выключении t^0,1_{зд, р} – интервал времени между входным и выходным импульсами при переходе напряжения на выходе микросхемы от логического нуля к логической единицы, измеренный на уровне 0,5 амплитуды.

Среднее время задержки распространения сигнала t_{зд, р.с.– интервал времени, равный полусумме времени задержки распространения сигнала при включении и выключении цифровой микросхемы.}

Коэффициент объединения по входу К_об – число входов микросхемы, по которым реализуется логическая функция.

Коэффициент разветвления по выходу К_раз – число единичных нагрузок, которые можно одновременно подключить к выходу микросхемы (единичной нагрузкой является один вход основного логического элемента данной серии интегральных микросхем).

Коэффициент объединения по выходу К_об.вых – число соединяемых между собой выходов интегральной микросхемы, при котором обеспечивается реализация соответствующей логической операции.

Сопротивление нагрузки R_н – значение активного сопротивления нагрузки, подключаемой к выходу интегральной микросхемы, при котором обеспечивается заданное значение выходного напряжения (выходного тока) или заданное усиление.

Емкость нагрузки С_н – максимальное значение емкости, подключенной к выходу интегральной микросхемы, при котором обеспечиваются заданные частотные и иные параметры.

Синхронизация работы отдельных узлов ЭВМ и других устройств цифровой техники осуществляется периодическими последовательностями прямоугольных импульсов напряжения. Импульсом напряжения называют отклонение напряжения от первоначального значения в течение короткого промежутка времени. Последовательность импульсов, мгновенные значения которых повторяются через равные промежутки времени, называют периодической последовательностью импульсов. Участок импульса, на котором происходит изменение напряжения от начального уровня до конечного, называют фронтом импульса, а участок, на котором напряжение возвращается к исходному уровню, называется срезом импульса. Длительностью фронта импульса считают время нарастания напряжения от 0,1 U_м  до 0,9 U_м, а длительностью среза – время изменения напряжения   от 0,9 U_м до 0,1 U_м, где U_м –  амплитуда импульса. Когда говорят о длительности импульса, то необходимо указывать, на каком уровне от амплитуды импульса проводились измерения: на уровне 0,1 U_м  или 0,5 U_м. Частота следования импульсов – это число импульсов в одну секунду. Период следования импульсов – это минимальное время, через которое повторяются мгновенные значения напряжения. Интервал времени между окончанием одного импульса и началом следующего называется паузой. Величину, равную отношению периода следования импульсов к длительности импульса, называют скважностью импульсов. Периодическая последовательность прямоугольных импульсов при скважности 2 называется меандром. Прямоугольный импульс напряжения иногда рассматривают как совокупность двух перепадов напряжения. Перепады напряжения – это быстрые изменения напряжения между двумя уровнями. Перепад называют положительным, если напряжение изменяется от низкого уровня к высокому, и отрицательным, если напряжение изменяется от высокого уровня к низкому. Перепад напряжения, у которого длительность равна нулю,  называется скачком напряжения. 

На рисунке 1.13 показано, как определяется длительность фронта входного импульса t_ф, время перехода интегральной микросхемы из состояния логической единицы в состояние логического нуля t^1,0, время перехода интегральной микросхемы из состояния логического нуля в состояние логической единицы t^0,1, время задержки распространения при включении t^1,0_{зд, р}, время задержки распространения при выключении t^0,1_{зд, р} .

 

 

ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ: «И,ИЛИ,НЕ»

Всем известна цифровая электроника: компьютеры, телевизоры, DVD и т.д. Сейчас, в нашё время, невозможно представить без сенсорных телефонов и ноутбуков. И поэтому сейчас  больше всего начинают изучать цифровую технику, дети в возрасте 7 лет уже играть в компьютерные игры, а первоклассники ходят с сенсорными телефонами. Так что электроника распалась на две части: аналоговую и цифровую. Сегодня мы поговорим о кодах и логических элементов.   

Десятичный код

Сейчас появилось много всяких микросхем и микроконтроллеров. Поэтому, чтобы записать мультики, игры, программы в микроконтроллер, надо использовать код. Коды бывают различного вида, например можно записывать в виде римских цифр. Сейчас появилось множество способов, мы рассмотрим только два. Это двоичный или десятичный. Чтобы записать десятичный, требуется десять цифр это 1 2 3 4 5 6 7 8 9 и 0. С помощью этих цифр записываются музыка, игры и прочее. Вот, например 12, нам понадобиться 1 и 2, из десятичного, мы берём 1 и 2, и записываем.

Двоичный код

Есть ещё и двоичный, для двоичного нужно только 0 и 1. Двоичный используется уже много лет, он очень удобен, например чтобы из десятичного кода, число перевести в число двоичного кода, надо из 10-2=8, это число в зависимости что нужно перевести, если из двоичного  в десятичный ток надо вычисть это число, а если из десятичного в двоичный ток наоборот, прибавить. Теперь разберёмся и логическими элементами.

Логические элементы

Вот дело подошло к логическим элементам. Начнём пожалуй с элемента «И». Его изображение, а также другие основные элементы, показаны на рисунке далее:

Давайте разберёмся с принципом работы, у цифрового сигнала есть особенность, которая помогает записывать сигнал, это логическая единица и логический ноль. Как это объяснить, да вот так, логический ноль присутствует, если не подано напряжение, или оно очень низкое, а логическая единица, если напряжение среднее или высокое. С помощью этой особенностью можно записывать двоичный код.

Элемент «И» работает не сложно, у него всего два входа и один выход, чтобы была единица на выходе надо подать на все входы единицы, если хоть на одном входе будет ноль, то и на выходе будет ноль. При подаче нуля на обои входы,  на выходе будет тоже ноль.

Теперь разберёмся с элементом «ИЛИ», ноль будет присутствовать если на обоих  входах будет ноль, на всех остальных случаях всегда будет единица. А элемент «НЕ» очень прост, у него один вход и один выход. Логика его работы очень проста, если на вход подать единицу, то на выходе будет ноль, а если на вход подать ноль, то на выходе будет единица. На этом всё, с вами был Дмитрий Цывцын, желаю удачи!

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 различается, и выходной сигнал меняется. Каждый логический вентиль следует за таблицей истинности, которая дает возможные комбинации ввода и соответствующего полученного вывода.

Работа каждого логического элемента может быть легко понятна и аналогична сложению и умножению, 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 придают форму 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 основных 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, — это фактическая концепция 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 для дальнейшего понимания работы 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 на каком-либо из входов высокий уровень, исключая условия 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 в схему «защелки» и, когда управляются тактовыми сигналами, порождают «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, где 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 изображает комбинации логических вентилей. Хотя мы вводим наши данные в виде чисел, именно это происходит внутри устройства. Каждый сегмент, включенный в дисплей, подключается к набору логических подключений 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 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 отображаются 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 ворота пользуются большой популярностью, существуют определенные ограничения:

• Для более сложной системы или схемы, реализация логического элемента невозможна, так как правильное их размещение и соединение может вызвать затруднения.
• Схемы, использующие реализацию логического элемента, потребляют больше энергии, чем допустимо.
Для логических схем
• требуются аккумуляторные батареи или переносные источники питания.

Статьи по теме

Как работают логические вентили в цифровой электронике | EAGLE

Один только бинарный мир единиц и нулей не позволяет нам повторно приземлять ракеты посреди океана, или 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, нужно начать с логических ворот.

На ферме

Допустим, вы живете на ферме, и у вас есть стая цыплят 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 цыплят — яиц, для электроники — 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 ваше входное напряжение равно 0 В, оно считается низким, или 0. А когда у вас входное 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 конкретному 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 исторический период.Но действительно ли логические ворота являются чем-то новым?

Концепции старше, чем вы думаете

Логические ворота существуют дольше, чем вы живы, 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 коллекцию транзисторов, что привело к созданию первой интегральной схемы, положившей начало нашей эре 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 наши 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 наших 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 не будет курицы и петуха у наших ворот, то 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 мы 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.

Здесь тоже довольно четкая картина. 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 ИЛИ на схеме, ищите этот символ:

Логический вентиль ИЛИ, для которого только один вход должен быть 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 наша коза представляет 1 в нашем логическом элементе в качестве входа, элемент 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 наши ворота открытыми, пока поблизости нет коз.

Ворота

НЕ выглядят немного странно 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 вывода их выходных данных, 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 вентиль 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 рассматривать гейт XOR как своего рода ситуацию «или-или». Например:

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

Другой способ понимания логического элемента 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 элементов 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.

Ворота XNOR

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

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

Эти ворота работают аналогично воротам 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 есть и курица, и петух у наших ворот, то мы НЕ будем открывать ворота.
• Если у нас будет курица И не будет петуха у 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: ворота NAND работают как ворота И , так и ворота 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

Наши последние и последние ворота, с которыми мы будем работать на нашей ферме, — это ворота NOR , которые похожи на ворота NAND в том, что они имеют противоположный выход, чем вы могли ожидать. Вентиль ИЛИ будет работать так же, как вентиль ИЛИ , за исключением того, что его выход противоположен выходу ворот ИЛИ . Например, вернувшись на нашу ферму, предположим, что на улице бушует жестокая буря, и мы не хотим выпускать цыплят на пастбище.Калитка NOR — именно то, что нам нужно:

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

Все еще с нами? Ворота ИЛИ работают как ворота ИЛИ , так и ворота НЕ . Сначала он сравнивает два значения, используя логику ИЛИ , а затем обеспечивает противоположный вывод на основе логики ИЛИ . 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 заглянули в мир цифровой электроники, у вас есть логические ворота, которые делают все тяжелые математические действия, чтобы происходить удивительные вещи. Поэтому 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 поэкспериментировать со своими собственными логическими воротами? Попробуйте Autodesk EAGLE бесплатно!

Обзоры

and gate logic — интернет-магазины и отзывы на and gate logic на AliExpress

Отличные новости !!! Вы попали в нужное место для логики ворот. К настоящему времени вы уже знаете, что что бы вы ни искали, вы обязательно найдете это на AliExpress. У нас буквально тысячи отличных продуктов во всех товарных категориях.Ищете ли вы товары высокого класса или дешевые и недорогие оптовые закупки, мы гарантируем, что он есть на AliExpress.

Вы найдете официальные магазины торговых марок наряду с небольшими независимыми продавцами со скидками, каждый из которых предлагает быструю доставку и надежные, а также удобные и безопасные способы оплаты, независимо от того, сколько вы решите потратить.

AliExpress никогда не уступит по выбору, качеству и цене.Каждый день вы будете находить новые онлайн-предложения, скидки в магазинах и возможность сэкономить еще больше, собирая купоны. Но вам, возможно, придется действовать быстро, поскольку логика верха и ворот станет одним из самых востребованных бестселлеров в кратчайшие сроки. Подумайте, как вам будут завидовать друзья, когда вы скажете им, что у вас есть логика и логика на AliExpress. Благодаря самым низким ценам в Интернете, дешевым тарифам на доставку и возможности получения на месте вы можете еще больше сэкономить.

Если вы все еще не уверены в логике и думаете о выборе аналогичного товара, AliExpress — отличное место для сравнения цен и продавцов.Мы поможем вам решить, стоит ли доплачивать за высококачественную версию или вы получаете столь же выгодную сделку, приобретая более дешевую вещь. А если вы просто хотите побаловать себя и потратиться на самую дорогую версию, AliExpress всегда позаботится о том, чтобы вы могли получить лучшую цену за свои деньги, даже сообщая вам, когда вам будет лучше дождаться начала рекламной акции. и ожидаемая экономия.AliExpress гордится тем, что у вас всегда есть осознанный выбор при покупке в одном из сотен магазинов и продавцов на нашей платформе.Реальные покупатели оценивают качество обслуживания, цену и качество каждого магазина и продавца. Кроме того, вы можете узнать рейтинги магазина или отдельных продавцов, а также сравнить цены, доставку и скидки на один и тот же продукт, прочитав комментарии и отзывы, оставленные пользователями. Каждая покупка имеет звездный рейтинг и часто имеет комментарии, оставленные предыдущими клиентами, описывающими их опыт транзакций, поэтому вы можете покупать с уверенностью каждый раз. Короче говоря, вам не нужно верить нам на слово — просто слушайте миллионы наших довольных клиентов.

А если вы новичок на AliExpress, мы откроем вам секрет. Непосредственно перед тем, как вы нажмете «купить сейчас» в процессе транзакции, найдите время, чтобы проверить купоны — и вы сэкономите еще больше. Вы можете найти купоны магазина, купоны AliExpress или собирать купоны каждый день, играя в игры в приложении AliExpress. Вместе с бесплатной доставкой, которую предлагают большинство продавцов на нашем сайте, мы думаем, вы сможете приобрести and gate logic по самой выгодной цене.

У нас всегда есть новейшие технологии, новейшие тенденции и самые обсуждаемые лейблы. На AliExpress отличное качество, цена и сервис всегда в стандартной комплектации. Начните самый лучший шоппинг прямо здесь.

.