سلام بر همه دوستان! امیدواریم حال همه شما خوب باشه. در این مقاله، ما با ستون بسیار اساسی مدارهای منطق دیجیتال یعنی گیت های منطقی آشنا خواهیم شد. همانطور که می دانیم، دنیای دیجیتال به ارقام باینری 0 یا 1 بستگی دارد. بنابراین، همیشه نیاز به انجام عملیات های مختلف روی این اعداد باینری مانند جمع، تفریق، ضرب، جابجایی و غیره وجود دارد. برای انجام این عملیات روی سیگنال های باینری، در مدارهای دیجیتالی از گیت های منطقی دیجیتال استفاده می کنیم.
بنابراین، بیایید نگاهی به مفاهیم اصلی گیت های منطقی داشته باشیم:
گیت منطقی چیست؟
گیت های منطقی برای انجام یک عملیات مشخص (به عنوان مثال جمع، تغییر بیت و غیره) روی سیگنال های ورودی و تولید سیگنال خروجی طراحی شده اند.
برای مثال، یک گیت NOT ساده یک ورودی باینری را می گیرد و معکوس آن را در خروجی برمی گرداند.
اگر ورودی 0 باشد، خروجی 1 خواهد بود.
اگر ورودی 1 باشد، خروجی 0 خواهد بود.
می‌توانیم گیت‌های منطقی را با استفاده از قطعات الکترونیکی اصلی مانند مقاومت، دیود، ترانزیستور و غیره طراحی کنیم. اما برای طراحی گیت‌ها برای استفاده تجاری، از دو فناوری اصلی تولید استفاده می‌شود، یعنی:
TTL (Transistor Transistor Logic)(منطق ترانزیستور-ترانزیستور): گیت های منطقی TTL از ترانزیستورهای پیوند دوقطبی NPN و PNP در مدار خود یعنی سری 7400 استفاده می کنند.
CMOS (Complementary Metal Oxide Silicon)(سیلیکون اکسید فلز مکمل): گیت های منطقی CMOS از ترانزیستورهای MOSFET یا JFET (یعنی سری 4000) استفاده می کنند و به دلیل پاسخ بسیار سریع بسیار محبوب هستند.
نمایش نمادین
به هر گیت منطقی یک نماد برای نمایش آن اختصاص داده می شود که طراحی نمودار مدار آنها را ساده می کند.
نمایش نمادین 4 گیت منطقی پایه به شرح زیر است:
جدول درستی (صحت) (Truth Table)
هر گیت منطقی یک جدول درستی دارد (که جدول منطقی نیز نامیده می شود) که برای ارائه حالت های خروجی برای همه ترکیبات/شرایط ممکن ورودی هایش استفاده می شود.
این یک قرارداد برای نوشتن خروجی ها در ستون های سمت راست و ورودی ها در ستون های سمت چپ است.
جدول درستی گیت NOT (که برای معکوس کردن ورودی استفاده می شود) در شکل زیر نشان داده شده است:
| Input | Output |
| 0 | 1 |
| 1 | 0 |
همانطور که در شکل بالا می بینید، جدول در مجموع دارای 2 ردیف است که تمام شرایط ورودی ممکن را به ما می دهد.
تعداد سطرها در جدول درستی به تعداد ورودی های استفاده شده بستگی دارد. فرمول این است که اگر در یک گیت منطقی "n" ورودی داشته باشیم، جدول درستی آن در مجموع 2n ردیف خواهد داشت. بنابراین، اگر 2 ورودی داشته باشیم، ردیف های جدول صدق آن 4 می شود.
جداول درستی در عملیات بولی و ریاضی مفید هستند زیرا رابطه بین ورودی و خروجی را می توان در یک نگاه درک کرد.
طراحی مدار گیت های منطقی
همانطور که قبلاً گفتیم، تکنیک های مختلف تولید برای طراحی گیت های منطقی استفاده می شود. این تکنیک ها ویژگی های گیت های منطقی مانند زمان پاسخ، ایمنی در برابر نویز، سطح ولتاژ برای جابجایی منطقی و غیره را تعیین می کنند. ما می توانیم از قطعات الکترونیکی ساده مانند دیود، ترانزیستور، مقاومت و غیره برای طراحی گیت های منطقی استفاده کنیم. روش های معمول برای طراحی گیت های منطقی با قطعات الکترونیکی ساده عبارتند از:
RTL (Resistor-Transistor Logic)(منطق مقاومت-ترانزیستور)
DTL (Diode-Transistor Logic)(منطق دیود-ترانزیستور)
ECL (Emitter-Coupled Logic)(منطق جفت شده امیتر)
DRL (Diode-Resistor Logic)(منطق دیود-مقاومت)
چنین گیت های منطقی در طراحی بسیار ساده هستند و معمولاً زمان پاسخگویی بسیار کمی دارند و البته ممکن است به دلیل نویز، خروجی کاذب ارائه دهند. بنابراین، برای غلبه بر این مسائل، از این دو تکنیک ساخت استفاده می شود:
TTL (منطق ترانزیستور-ترانزیستور)
CMOS (نیمه هادی های اکسید فلزی مکمل)
ترانزیستورهای ساده NPN و PNP در گیت های منطقی TTL استفاده می شوند و بنابراین زمان پاسخگویی بهتری نسبت به گیت های منطقی پایه دارند. در تکنیک CMOS، ماسفت و FET برای کنترل منطق استفاده می شوند و در نتیجه بهترین زمان پاسخ را ارائه می دهند و کاملاً در برابر نویز مصون هستند. بنابراین، در بین تمام این تکنیک های ساخت، CMOS محبوب ترین تکنیک برای طراحی گیت منطقی در نظر گرفته می شود.
طراحی گیت های منطقی با اجزای اصلی
در اینجا یک نمونه از طراحی گیتAND با منطق دیود-مقاومت (DRL) و یک گیت NAND طراحی شده با منطق دیود- ترانزیستور (DTL) آورده شده است:
همانطور که در شکل بالا می بینید، طراحی این مدارها بسیار آسان است، زیرا به سادگی از دیودها، مقاومت ها و ترانزیستورها استفاده می شود. اما این مدارها به دلیل تلفات توان بالا (مقاومت بالاکش pull up) و تاخیر گیت (تاخیر انتشار) در آی سی های تجاری استفاده نمی شوند. به همین دلیل است که CMOS و TTL بهترین گزینه برای طراحی گیت های منطقی دیجیتال در نظر گرفته می شوند.
گیت ها با منطق TTL
در گیت هایTTL از ترانزیستورهای NPN و PNP برای طراحی گیت های منطقی استفاده می شود. گیت منطقی TTL ایده آل، گیتی است که منطق LOW(0) را در 0V و منطق HIGH(1) را در 5V می دهد. در یک گیت منطقی واقعی TTL، اگر سطح ولتاژ بین 0-0.8 ولت باشد، منطق LOW (0) در نظر گرفته می شود و اگر سطح ولتاژ در محدوده 2-5 ولت باشد، منطق HIGH (1) در نظر گرفته می شود. . سطح ولتاژ بین 0.8 تا 2 ولت به عنوان "منطقه بینابینی" در نظر گرفته می شود و معمولاً برای جلوگیری از ورود به این ناحیه از مقاومت های بیرونی یا pull up خارجی استفاده می شود. نمونه‌هایی از آی سی گیت‌های منطقی TTL عبارتند از 74Lxx، 74LSxx، 74ALSxx، 74HCxx، 74HCTxx، 74ACTxx و غیره.
گیت های منطقی CMOS
در تکنولوژی منطقCMOS از ترانزیستور FET (Field Effect Transistor) و MOSFET برای طراحی گیت های منطقی استفاده می شود. گیت های منطقی CMOS اگر ولتاژ ورودی آن در محدوده 0-1.5 ولت باشد منطق LOW(0) را ارائه می دهند و اگر در محدوده 3-18 ولت باشد، منطق HIGH(1) را می دهد. جدول زیر سطوح ولتاژ هر دو گیت منطقی TTL و CMOS را نشان می دهد:
| Logic Gates | LOW(0) | HIGH(1) |
| TTL | 0-0.8V | 2-5V |
| CMOS | 0-1.5V | 3-18V |
انواع گیت های منطقی
انواع مختلفی از گیت های منطقی بر اساس تعداد کانال های ورودی/خروجی و نوع منطقی که باید اعمال شود وجود دارد.
بر اساس منطق مشخص شده، گیت ها به 3 نوع اساسی تقسیم می شوند.
گیت AND
گیت OR
گیت NOT
این 3 گیت اصلی، بلوک های سازنده تمامی گیت های منطقی پیشرفته هستند. بنابراین، ما می توانیم هر گیت منطقی پیشرفته ای را با این 3 گیت منطقی اصلی طراحی کنیم.
متداول ترین گیت های منطقی پیشرفته عبارتند از:
گیت NAND.
گیت NOR.
گیت XOR.
گیت XNOR.
7 گیت منطقی که در بالا ذکر شد، پرکاربردترین گیت ها هستند. نمادهای چند گیت منطقی نشان داده شده است
گیت منطقی AND
گیت AND یک گیت منطقی پایه است و خروجی HIGH را می دهد، اگر همه ورودی های آن HIGH باشند و خروجی LOW تولید می کند، اگر هر یک از ورودی های آن LOW باشد.
گیت AND پیوند منطقی را انجام می دهد. ما آن را با DOT بین ورودی ها نشان می دهیم، یعنی A.B = Y که در آن A & B ورودی ها و Y خروجی هستند.
ورودی‌های گیت AND همیشه بیش از یک است، یعنی ورودی‌ها >=2 است و همیشه یک خروجی تولید می‌کند.
نماد منطقی دروازه AND در شکل زیر نشان داده شده است:
جدول درستی گیت AND:
در اینجا جدول درستی گیت AND به شکل جدول آمده است:
| A | B | A.B |
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 |
همانطور که در جدول حقیقت AND Gate می بینید، خروجی تنها زمانی 1 است که هر دو ورودی آن 1 باشد، در غیر این صورت، 0 است.
شبیه سازی پروتئوس گیت AND
Proteusیک قطعه به نام گیت Gate در کتابخانه قطعات خود دارد. ما قصد داریم از آن برای تأیید جدول درستی گیت AND استفاده کنیم. ما از قطعات زیر برای طراحی این شبیه سازی گیت AND استفاده خواهیم کرد:
گیت AND
LED
Logic Toggle
ترمینال زمین
در اینجا شبیه سازی Proteus از تمام حالت های ممکن گیت AND با 2 ورودی ورده شده است:
یک حالت منطقی پیش فرض در ورودی های گیت AND و یک LED در خروجی قرار می دهیم.
LED فقط زمانی روشن می شود که هر دو ورودی گیت AND 1 (بالا) باشند.
گیت منطقی OR
گیت OR منطق تفکیک را روی ورودی ها انجام می دهد، یعنی خروجی 1 (HIGH) خواهد بود، اگر هر یک از ورودی های آن 1 (HIGH) باشد و خروجی 0 (LOW) خواهد بود، اگر همه ورودی های آن 0 (LOW) باشند.
گیت OR با علامت مثبت "+" بین ورودی ها نشان داده می شود، یعنی A+B = Y، که در آن A و B ورودی و Y خروجی است.
مشابه با گیت AND ، گیت OR نیز حداقل دو ورودی و تنها یک خروجی دارد.
نماد گیت OR در شکل زیر نشان داده شده است:
جدول درستی گیت OR:
در اینجا جدول درستی برای گیت OR آمده است:
| A | B | A+B |
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 1 |
در مورد گیت OR ، خروجی LOW است، اگر همه ورودی های آن LOW باشند، در غیر این صورت HIGH است.
شبیه سازی پروتئوس گیت OR
شبیه سازی کاملاً مشابه گیت AND است، به سادگی گیت AND را با گیت OR که در کتابخانه قطعات Proteus وجود دارد جایگزین می کنیم.
شکل زیر نشان می دهد که LED خروجی خاموش است، اگر هر دو ورودی دروازه OR صفر باشد.
گیت منطقی NOT
در مدارهای منطقی، گیت NOT عمل وارونگی را انجام می دهد.
این یک گیت منطقی یکپارچه است که به این معنی است که فقط یک ورودی و یک خروجی دارد.
خروجی گیت NOT با یک نوار یا مکمل روی نماد ورودی نشان داده می شود، یعنی اگر ورودی A باشد، خروجی A' خواهد بود.
در اینجا نمایش نمادین گیت NOT آمده است:
جدول درستی گیت NOT:
در اینجا جدول درستی گیت NOT، بسیار ساده است،
| A | B |
| 0 | 1 |
| 1 | 0 |
شبیه سازی پروتئوس گیت NOT
گیت NOT را از کتابخانه قطعات Proteus انتخاب کنید.
ال ای دی و سوئیچ Logic Toggle را به ترتیب در خروجی و ورودی وصل کنید.
در اینجا نتایج آمده است:
دیدگاه خود را بنویسید