Цифровые логические элементы: типы, функции и применение

Цифровые логические элементы (Logic Gates)

Логический элемент — электронная схема или прибор, принимающий логические решения. Иначе: схема с одним или несколькими входами и одним выходом, уровень которого (высокий/низкий) зависит от входов. Широко применяются в цифровой технике и компьютерах.

Как строительные блоки цифровых систем, из них создаются сложные устройства. В 1854 Джордж Буль ввёл булеву алгебру — базу функций логических элементов. Они выполняют вычисления мгновенно.

Позитивная и негативная логика

Ноль и единица — два состояния схемы. В позитивной логике: 1 = ON, Closed, High, Plus, True, Up; 0 = Off, Open, Low, Minus, False, Down. В негативной логике — наоборот. Работающая система = 1 в позитивной, но 0 в негативной.

Типы логических элементов

1) OR (ИЛИ) 2) AND (И) 3) NOT (НЕ) 4) NOR (НЕ-ИЛИ) 5) NAND (НЕ-И) 6) XOR (Искл. ИЛИ) 7) XNOR (Искл. НЕ-ИЛИ)

Ниже разобраны только базовые элементы.

Элемент OR (ИЛИ)

Два и более входа, один выход. Выдаёт высокий уровень, если хотя бы один вход высокий. Название «all or any gate».

На рис. (a) — символ и булево выражение (Y = A + B). (b) — таблица истинности: 0+0=0, остальные комбинации = 1. (c) — эквивалентная схема: два переключателя параллельно, в serie с лампой. Если хоть один замкнут — лампа горит.

Элемент AND (И)

Два и более входа. Выдаёт низкий уровень, если хотя бы один вход низкий. Высокий выход только когда все входы высокие. Умножает входы.

Символ (входы X, Y, выход Z). Таблица истинности: 1 только при 1·1. Эквивалентная схема: два переключателя последовательно с лампой. Лампа горит только если замкнуты оба.

Элемент NOT (НЕ / Инвертор)

Один вход, один выход. Выход всегда инвертирован относительно входа.

Символ — треугольник с пузырём на выходе. Вход A, выход Z = Ā. Таблица: 0→1, 1→0. Транзисторная схема: нет напряжения на базе — транзистор закрыт, +Vcc на выходе. Есть напряжение — транзистор открыт, выход прижат к нулю.