Loogikavärav: määratlus, tööpõhimõte ja tüübid elektroonikas
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.
AND loogikavärav
AND-väravatel on kaks sisendit. AND-värava väljund on sisse lülitatud ainult siis, kui mõlemad sisendid on sisse lülitatud. Kui vähemalt üks sisenditest on välja lülitatud, on väljund välja lülitatud.
Kui A ja B on mõlemad olekus On, siis on väljund (out) olekus On, kasutades paremal olevat pilti. Kui kas A või B on väljalülitatud olekus, on ka väljund väljalülitatud olekus. A ja B peavad olema sisse lülitatud, et väljund oleks sisse lülitatud.
| Tõestustabel | ||
| A | B | Väljund |
| Väljaspool | Väljaspool | Väljaspool |
| Veebilehel | Väljaspool | Väljaspool |
| Väljaspool | Veebilehel | Väljaspool |
| Veebilehel | Veebilehel | Veebilehel |
Üldine idee AND-loogikavärava sümboli kohta
VÕI loogikavärav
VÕI-väravatel on kaks sisendit. VÕI-värava väljund on sisse lülitatud, kui vähemalt üks sisenditest on sisse lülitatud. Kui mõlemad sisendid on välja lülitatud, on väljund välja lülitatud.
Kasutades paremal olevat pilti, kui kas A või B on sisse lülitatud, on ka väljund (out) sisse lülitatud. Kui nii A kui ka B on välja lülitatud, on väljund välja lülitatud.
| Tõestustabel | ||
| A | B | Väljund |
| Väljaspool | Väljaspool | Väljaspool |
| Veebilehel | Väljaspool | Veebilehel |
| Väljaspool | Veebilehel | Veebilehel |
| Veebilehel | Veebilehel | Veebilehel |
Üldine idee OR-loogilise värava sümboli kohta
NOT loogikavärav
NOT-loogikaväraval on ainult üks sisend. Kui sisend on sisse lülitatud, siis on väljund välja lülitatud. Teisisõnu, NOT-loogikavärav muudab signaali sisse- ja väljalülitatud või väljalülitatud signaalist sisse- ja väljalülitatud. Seda nimetatakse mõnikord inverteriks.
| Tõestustabel | |
| A | Väljund |
| Väljaspool | Veebilehel |
| Veebilehel | Väljaspool |
NOT loogikavärava sümboli üldine idee
XOR-loogika värav
XOR-väravatel on kaks sisendit. XOR-värava väljund on tõene, kui ainult üks sisenditest on tõene. Kui mõlemad sisendid on sisse lülitatud, on väljund välja lülitatud.
| Tõestustabel | ||
| A | B | Väljund |
| Veebilehel | Veebilehel | Väljaspool |
| Veebilehel | Väljaspool | Veebilehel |
| Väljaspool | Veebilehel | Veebilehel |
| Väljaspool | Väljaspool | Väljaspool |
| · v · t · e | |
| Loogilised väravad | AND-värav - OR-värav - NOR-värav - NAND-värav - XOR-värav - XNOR-värav - NOT-värav |
| Muud leheküljed | Boole'i algebra - loogikaväravad |
XOR-logiavärava sümboli üldine idee
Küsimused ja vastused
K: Mis on loogikavärav?
V: Loogikavärav on elektrooniline komponent, mida saab kasutada elektrienergia juhtimiseks mingi reegli alusel. Värava väljund määratakse kindlaks, rakendades seda reeglit ühele või mitmele sisendile, mis võivad olla kaks juhet või teiste loogikaväravate väljundid.
K: Kuidas loogikaväravad töötavad?
V: Loogikaväravad töötavad tavaliselt ainult kahel pingetasemel, positiivsel ja nulltasemel. Tavaliselt töötavad nad kahe oleku alusel - On ja Off. Sisse lülitatud olekus on pinge positiivne ja väljalülitatud olekus on pinge nulltasemel. Sisse lülitatud olekus kasutatakse tavaliselt pinget vahemikus 3,5 kuni 5 volti, kuid see vahemik võib mõnel juhul olla madalam. Loogikaväravad võrdlevad oma sisendite seisundit, et otsustada, milline peaks olema nende väljundis olev seisund, ja on aktiivsed, kui nende reeglid on õigesti täidetud.
K: Millist loogikat kasutavad loogikaväravad?
V: Loogikaväravad on Boole'i loogika elektroonilised versioonid, mis tähendab, et tõesustabelid ütlevad, milline on väljund sõltuvalt antud sisenditest.
K: Kas kõik pinged olekus "On" on võrdsed?
V: Ei, kõik pinged ole "On" oleku jaoks võrdsed, kuna tavaliselt kasutatakse pinget vahemikus 3,5 kuni 5 volti, kuid see vahemik võib mõne kasutusviisi puhul olla madalam.
K: Kas kõikidel loogikaväravatel on kaks sisendit?
V: Mitte tingimata - mõnel tüübil võib olla rohkem kui kaks sisendit, samal ajal kui teistel võib olla ainult üks sisend või üldse mitte ükski, sõltuvalt selle eesmärgist ja konstruktsioonist.
K: Kas loogikaväravat läbib alati elekter, kui see on aktiivne?
V: Jah, kui loogikavärav on aktiivne või kui selle reeglid on õigesti täidetud, siis voolab läbi selle elektrienergia ja selle väljund seatakse selle sisselülitatud oleku pinge tasemele (tavaliselt vahemikus 3-5 V).
