Loogikavärav on elektrooniline komponent, mida saab kasutada elektrienergia juhtimiseks reegli alusel. Värava väljund on selle reegli kohaldamise tulemus ühele või mitmele "sisendile". Need sisendid võivad olla kaks juhet või teiste loogikaväravate väljundid.

Loogikaväravad on digitaalsed komponendid. Nad töötavad tavaliselt ainult kahel pingetasemel, positiivsel ja nulltasemel. Tavaliselt töötavad nad kahe oleku alusel: On ja Off. Sisse lülitatud olekus on pinge positiivne. Väljalülitatud olekus on pinge nulltasemel. Sisse lülitatud olekus kasutatakse tavaliselt pinget vahemikus 3,5 kuni 5 volti. See vahemik võib mõne kasutusviisi puhul olla madalam.

Loogikaväravad võrdlevad oma sisendite olekut, et otsustada, milline peaks olema nende väljundis olev olek. Loogikavärav on sisse lülitatud või aktiivne, kui selle reeglid on õigesti täidetud. Sel ajal voolab elektrienergia läbi värava ja pinge selle väljundil on tasemel, mis vastab selle olekusse On.

Loogikaväravad on Boole'i loogika elektroonilised versioonid. Tõestustabelid ütlevad teile, milline on väljund sõltuvalt sisenditest.

Tööpõhimõte ja füüsikaline realiseerimine

Loogikavärava põhiülesanne on realiseerida Boole'i operaator (näiteks AND, OR, NOT) elektriliste signaalide abil. Füüsiliselt tehakse seda transistorite, takistite ja muude elementide kombinatsiooniga. Kaasaegsed digitaalsed ahelad kasutavad peamiselt kahte tehnoloogiat:

  • TTL (Transistor–transistor logic) – Bipolaartransistoritel põhinev tehnoloogia, mis on kiire ja vastupidav, kuid tarbib rohkem võimsust.
  • CMOS (Complementary Metal–Oxide–Semiconductor) – Kasutab nii p-kanali kui n-kanali MOSFET-transistorid; väga madal staatiline energiatarve ja hea lülituskiirus, laialt kasutusel kaasaegsetes integreeritud vooluahelates.

Mõnel erivormil (nt ECL) on veelgi suurem kiirus, kuid suurem võimsustarve ja keerukam toitekujundus.

Loogikatasemed ja mürataluvus

Praktilistes süsteemides on loogikal vahest selgem määratlus, milline pinge vastab loogilisele 0- või 1-le. Näiteks:

  • TTL-süsteemides loetakse tavaliselt madal pinge alla ~0,8 V loogiliseks 0 ning kõrge pinge üle ~2,0 V loogiliseks 1.
  • CMOS-süsteemides sõltuvad läviväärtused toitepingest (Vcc); üldiselt loetakse madal alla ~0,3·Vcc ja kõrge üle ~0,7·Vcc.

Loogikaväravad peavad omama ka mürataluvust (noise margin) — pingevahemikku, mille sees signaalile ei tekitata vale loogilist tõlgendust impulsiliste häirete tõttu.

Tüübid ja nende käitumine

Peamised loogikaväravad on:

  • NOT (inverter) – pöörab sisendi: kui sisend on 1, väljund on 0 ja vastupidi.
  • AND – väljund on 1 ainult siis, kui kõik sisendid on 1.
  • OR – väljund on 1, kui vähemalt üks sisenditest on 1.
  • NAND – AND vastand (NOT(AND)); universaalne värav, millega saab moodustada mistahes loogika.
  • NOR – OR vastand (NOT(OR)); samuti universaalne värav.
  • XOR (erinevus) – väljund on 1 siis, kui sisendid erinevad (paarissumma 1).
  • XNOR – XOR vastand; väljund on 1, kui sisendid on võrdsed.
  • Buffer – tugevdatud väljundi versioon, mis ei muuda loogilist väärtust, aga suurendab vooluvõimet või vähendab signaali aeglustust.

Igale sellisele väravale vastab tõestustabel, mis näitab väljundi olekut kõigi võimalike sisendkombinatsioonide korral. De Morgani seadused ja muud loogikareeglid aitavad väravaid lihtsustada ja ümber kombineerida.

Olulised parameetrid ja praktilised omadused

  • Propagatsiooniviivitus – aeg, mis kulub sisendi muutusest väljundi lõplikuks muutumiseks (tavaliselt nanosekundites). See piirab kiirust, millega loogikaringid töötada saavad.
  • Fan-in ja fan-out – mitu sisendit väraval võib olla (fan-in) ja mitu teist väravat võib ühe väljundi toita (fan-out). Fan-out sõltub väljundi suutlikkusest allikavoolu ja sisendite voolutarvetest.
  • Võimsustarve – CMOS-il on madal staatiline võimsuskadu, samas lülitumisel on dünaamiline kulu. TTL tarbib üldiselt rohkem pidevat võimsust.
  • Signaali ebakõlad ja hüpped (hazards) – ristsõltuvuste korral võib esineda lühiajalisi soovimatuid impulsse. Neid tuleb kriitilistes ahelates arvesse võtta.

Rakendused

Loogikaväravaid kasutatakse kõigis digitaalsüsteemides: mikroprotsessorites, mäluseadmetes, liidesejuhistes, signaali töötlemisel, kodeerijates ja dekodeerijates, summeerijates (adder), korrutajates, mux/demux-üksustes, loendurites ja ajastusristides (timing circuits). Komplekssemad loogikafunktsioonid konstrueeritakse omavahel ühendatud lihtsamatest väravatest.

Praktilised nõuanded disainiks

  • Võimalusel kasutage sarnast loogikaperekonda (nt kõik CMOS või kõik TTL) — erinevate tehnoloogiate vahelised otsekontaktid vajavad sageli tõlkkiipe (level shifters).
  • Pöörake tähelepanu toitefilterdusele ja maaühendusele — kiire dünaamiline lülitumine tekitab transiente, mis mõjutavad signaali puhtust.
  • Kasutage bufrilisi väljundeid, kui ühe väljundi kaudu tuleb juhtida palju järgmisi väravaid (fan-out probleem).
  • Analüüsige viivitusi ja riske (hazards), eriti kaskaaditud ja mittelineaarsetes kombinatsioonides.

Kokkuvõte: Loogikavärav on digitaalse elektroonika põhielement, mis rakendab Boole'i loogikat elektriliste signaalide kujul. Nende mõistmine — tüübid, tööpõhimõte, tehnoloogiad (TTL, CMOS), parameetrid (viivitus, võimsus, mürataluvus) ja praktiline kasutus — on aluseks igasuguse digitaalse süsteemi kavandamisel ja analüüsil.