Символы, типы и характеристики логических вентилей
Символы, типы и характеристики логических вентилейДата публикации: 19-04-2023 Дата обновления: 20-10-2025 🕒 11 мин чтения
В современном мире доминируют цифровые системы – компьютеры, смартфоны, а также «умные» холодильники, системы домашней автоматики, облегчающие нашу жизнь. Уже не говоря о сложных промышленных системах. Все эти устройства нуждаются в правильно спроектированной электронике, оснащенной процессорами, памятью и системами обработки данных. Каждый из этих элементов можно представить как отдельный электронный элемент, но на самом деле эти микросхемы состоят из огромного количества более мелких элементов, которые представляют собой логические вентили. Они, в свою очередь, состоят из компонентов еще меньшего размера, то есть транзисторов. Однако в данной статье мы не будем опускаться до столь низкого уровня и остановимся на логических вентилях.
Логические функции и булева алгебра
Как на самом деле работают компьютеры? Каждая задача, будь то поиск в Интернете или использование программ, выполняемое центральным устройством, в конечном итоге сводится к математическим расчетам и передаче данных.
Однако компьютеры считают несколько иначе, чем могло бы показаться. Как люди, мы привыкли к десятичной арифметике, то есть к той, в которой в нашем распоряжении имеются десять цифр от 0 до 9. Благодаря им мы можем строить большие числа. Однако компьютер работает немного по-другому, он использует двоичную систему. Это означает, что в его распоряжении всего две цифры, 0 и 1, и на их основе должны создаваться другие числа. В цифровых системах нули и единицы называются логическими уровнями (0 – низкий уровень, 1 – высокий уровень) и тесно связаны с уровнями напряжения. Проще говоря, ноль – напряжение отсутствует, логическая единица – напряжение присутствует.
Как десятичная система подчиняется определенным законам, так и двоичная арифметика подчиняется своим законам. В данном случае используется булева алгебра, из которой вытекают некоторые логические функции. Именно на них основаны вышеуказанные логические вентили. Каждый вентиль выполняет одну из основных логических функций. Объединяя их в более крупные структуры, можно создавать очень продвинутые системы, такие как процессоры.
Где применяются логические вентили?
Первоначально логические вентили производились в виде одиночных интегральных схем, которые могли иметь внутри несколько таких конструкций. В то время инженерам, которые стремились построить более крупное устройство, приходилось проектировать довольно большие цепи, оснащенные множеством отдельных интегральных схем. Примером здесь могут послужить конструкции первых компьютеров, которые занимали несколько комнат. Изначально они были построены на схемах, выполненных по технологии ТТЛ, то есть на основе биполярных транзисторов. Благодаря микросхемам ТТЛ был создан первый логический стандарт, в котором системы питались от источника напряжения 5 В, при этом диапазоны напряжения для высокого и низкого уровней были 2 В – 5 В и 0,4 В – 0,8 В соответственно. Через некоторое время были разработаны и системы на основе полевых транзисторов (они называются КМОП). Между ТТЛ и КМОП есть несколько различий, но наиболее существенными являются напряжение питания и потребляемая мощность. КМОП-системы, по сравнению с более ранними конструкциями, могут питаться от источника гораздо более высокого напряжения (примерно до 15 В) и потреблять гораздо меньший ток, что особенно важно в конструкциях аккумуляторных батарей.
С развитием технологий все элементы подверглись миниатюризации. В этом процессе также участвовали логические вентили (конечно, они по-прежнему встречаются в виде отдельных схем), которые стали неотъемлемой частью кремниевых сердечников интегральных схем. В последнее время также получили распространение одиночные логические вентили, размещаемые в небольших корпусах типа SMD. Это очень удобное решение, учитывая, что производители электронной техники постоянно пытаются снизить расходы на производство.
Также стоит упомянуть, что логические вентили являются асинхронными схемами. Это отличает их от большинства используемых сегодня систем, которым для правильной работы необходим тактовый сигнал – такие микросхемы называются синхронными. В логических вентилях выходной сигнал практически мгновенно реагирует на изменение входного импульса. Единственным ограничением здесь является время распространения, то есть наносекунды, в течение которых структура кремния будет реагировать на изменение напряжения.
Основные логические вентили
Как известно, каждый вентиль выполняет определенную логическую функцию; ниже рассматриваются их отдельные типы, исходя из конкретных примеров.
Вентиль NOT
Вентиль NOT представляет собой одну из самых простых конструкций. Он имеет один вход и выход. Данный вентиль выполняет функцию отрицания, то есть, инвертирования уровня входа и передачи его на выход. Подав высокий уровень на вход, на выходе достигается низкий уровень. Аналогично, при подаче на вход низкого уровня, на выходе появится логическая единица. Описание работы логических вентилей обычно приводится в виде так называемых таблиц истинности.
| A | Y |
|---|---|
| A | Y |
| 1 | 0 |
| 0 | 1 |
Это не что иное, как графическое представление его работы. Слева в столбце, соответствующем входу A, находятся все уровни, которые может принимать этот вход, то есть, 1 и 0. С другой стороны располагаются те, которые появятся на выходе вентиля, обозначенного буквой Y. Кроме того, вентиль NOT можно описать уравнением , то есть на выходе Y достигается инвертированный сигнал А. Обозначим отрицание как горизонтальную черту над буквой.
Символ вентиля NOT представляет собой маленький треугольник, с двух сторон которого располагаются вход и выход. На выходе имеется небольшой круг.
Вентиль AND
Вентиль AND представляет собой двухвходовую конструкцию, в которой на выходе логическая единица появляется только тогда, когда на оба входа подается высокий уровень. Другими словами, AND выполняет функцию произведения (также называемого конъюнкцией), описываемого формулой Y = AB. Стоит знать, что вентиль AND может иметь версии с более чем двумя входами, но его принцип действия при этом остается неизменным.
| A | B | Y |
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 |
Символ вентиля AND напоминает сочетание половины квадрата и круга с входами, располагающимися слева, и одним выходом справа.
Вентиль NAND
Еще одним из основных логических вентилей является NAND; данная конструкция буквально обратна вентилю AND. На его выходе высокий уровень появляется во всех случаях, кроме одного – когда на все входы подается высокий уровень. Вентиль NAND можно представить как AND с дополнительным (одним или несколькими) вентилем NOT, расположенным на выходе. Следует помнить, что, как и в вентиле AND, количество входов здесь практически не ограничено.
| A | B | Y |
| 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 |
Вентиль NAND иногда описывается с помощью логической функции, выраженной уравнением Y=\bar{AB}. Символ вентиля NAND почти идентичен символу вентиля AND, единственным отличием является кружок, расположенный на выходе.
Вентиль OR
Одним из основных логических вентилей также является конструкция, реализующая функцию суммы (альтернативы). Она называется вентилем OR. Как следует из названия, данный вентиль будет добавлять сигналы со входов, которых может быть очень много. Другими словами, на выходе появится логическая единица, когда любой из входов примет именно этот уровень. Однако, если на некоторых или даже на всех входах появится высокий уровень, на выходе также появится высокий уровень.
| A | B | Y |
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 1 |
Логической функцией, описывающей вентиль OR, является Y = A+B, а его символ существенно отличается от символов ранее упомянутых вентилей и его форма напоминает наконечник стрелы.
Вентиль NOR
Точно так же, как вентиль NAND является противоположностью вентиля AND, NOR является противоположностью вентиля OR. На этом сходства не заканчиваются; вентиль NOR можно также представить как вентиль OR с одним вентилем NOT (или несколькими), расположенным на выходе, инвертирующими уровни входов, которых, как и в предыдущих конструкциях, может быть очень много. Работа вентиля довольно проста, на выходе высокий уровень достигается только тогда, когда на всех входах появится логический ноль. Его работа описываются функцией
| A | B | Y |
| 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 0 |
Символом вентиля NOR является фигура, чем-то напоминающая наконечник стрелы (как и в случае с OR), с кружком, расположенным на выходе. Точно так же входы размещаются слева, а выходы – справа.
Вентиль XOR
Одной из классических логических конструкций также является вентиль XOR. Его принцип действия довольно интересен, потому что высокий уровень на выходе достигается только тогда, когда входы отличаются друг от друга. Другими словами, когда на один из входов подается 1, а на другой 0. Если все входы примут одинаковый уровень, на выходе вентиля появится логический ноль. Такая логическая функция описывается формулой и называется исключающей альтернативной или суммой по модулю 2.
| A | B | Y |
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 |
Графическое обозначение вентиля XOR напоминает наконечник стрелы, известный по вентилям OR и NOR, с той разницей, что здесь располагается дополнительная линия, параллельная левой стороне. Входы и выходы классически расположены слева и справа.
Вентиль XNOR
Вентиль XOR также имеет свою противоположность, называемую вентилем XNOR. Его действие, как и в других «обратных» конструкциях, заключается в отрицании базового вентиля. В этом случае, чтобы получить на выходе высокий уровень, необходимо подать одинаковый уровень на все входы, не имеет значения, будет это логическая единица или ноль.
| A | B | Y |
| 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 |
Принцип действия вентиля XNOR описывается с помощью формулы , и его символ почти идентичен символу вентиля XOR, с дополнительным маленьким кружком на выходе.
Вентиль, который ничего не меняет?
Довольно интересными конструкциями, которые можно отнести к логическим вентилям, являются буферы и буферы с тремя состояниями. Просто взглянув на графический символ, можно убедиться, что он похож на символ вентилей NOT, без кружка на выходе. Является ли в таком случае буфер противоположностью вентилей NOT? Да, но зачем использовать обратную противоположность, то есть, передачу уровня со входа на выход, если такой вентиль не выполняет никакой логической функции? Ответом на этот вопрос является токовая производительность. Выход каждого логического вентиля имеет определенную производительность, то есть можно подключить к нему определенное количество входов других вентилей или, например, светодиод. Если значение производительности будет превышено, вентиль будет безвозвратно поврежден. Именно в этом случае следует использовать буфер, токовая производительность которого на выходе намного выше. Это не изменит уровень сигнала, но позволит подключить больше приемников.
Вторым символом на графике является буфер с тремя состояниями. Он также не изменяет уровень сигнала, но имеет дополнительный вход, обозначенный буквой S. Он позволяет «отключить» выход, а если говорить профессионально, то перевести его в состояние высокого импеданса, обозначаемое буквой Z. В данном состоянии (также называемом неопределенным состоянием) невозможно определить, какой сигнал находится на выходе вентиля, его можно представить как висящий в воздухе провод, к которому ничего не подключено.
| A | S | Y |
| 0 | 0 | Z |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | Z |
| 1 | 1 | 1 |
Если буфер с тремя состояниями активирован с высоким уровнем на входе S, то только в этом случае уровень со входа будет передан на выход, в противном случае выход будет переведен в состояние высокого импеданса. Данные типы конструкций используются для повышения токовой производительности выхода, а также тогда, когда необходимо отключить данную цепь от остальной системы. Буферы с тремя состояниями также использовались вместе с более крупными цифровыми конструкциями, в которых данные передавались по шинам. Достаточно просто можно было отключить данный модуль от шины, благодаря чему остальные части системы могли легко обмениваться друг с другом информацией.
Объединение логических вентилей
При обсуждении темы логических вентилей нельзя не упомянуть о способах и принципах их объединения. Проще говоря, выходы вентилей объединять нельзя! Это общепринятое правило, которому нужно следовать. Например, два вентиля AND генерируют на выходе сигнал, который должен активировать один светодиод, в этом случае нельзя соединять два выхода вентиля и анод диода. Кто-то мог бы спросить, почему? Ответ прост, представьте, что произойдет, когда на выходе одного из вентилей появится 1 в момент, когда на выходе другого вентиля будет низкий уровень. С точки зрения первого вентиля, выход второго вентиля будет представлять собой массу, ток будет протекать не через светодиод, а через выход второго вентиля, тем самым необратимо повредив его.
Решение проблемы заключается в использовании еще одного, третьего вентиля, к входам которого подключаются выходы вентилей AND. В этом случае, если мы хотим, чтобы каждый из сигналов активировал светодиод, следует использовать вентиль OR. Независимо от того, на каком из выходов вентиля AND появится высокий уровень, вентиль OR активирует свой выход, тем самым обеспечивая току прохождение через светодиод.
Transfer Multisort Elektronik (TME) является одним из крупнейших мировых дистрибьюторов электронных компонентов, электротехнических изделий, оборудования для мастерских и промышленной автоматизации. Каталог включает более 1 500 000 товаров от 1 300 ведущих производителей. Современные логистические центры TME в Лодзи и Рзгове (Польша) общей площадью более 40 000 м² ежедневно отправляют почти 6 000 посылок клиентам более чем в 150 странах.
TME также инвестирует в развитие знаний и навыков молодых инженеров и любителей электроники через проект TME Education, а также поддерживает технологическое сообщество, организуя серию мероприятий TechMasterEvent, способствующих инновациям и обмену опытом.
