Poartă logică

Circuitul integrat 7400 - Poarta NAND

O poartă logică este un dispozitiv electronic numeric elementar implementând o funcțiune logică abstractă elementară. Sunt structurile de bază care permit realizarea unor funcții logice și matematice mult mai complexe în circuitele integrate digitale. O poartă logică poate fi modelată ca o rețea de comutatoare controlate electric (de exemplu cu tranzistoare MOS). La început porțile logice erau realizate din diode (lămpi electronice sau semiconductoare) și rezistențe electrice (discrete).

1.Construcție și funcționare

O poartă logică are una sau mai multe intrări digitale/binare (semnale reprezentând 0 logic sau 1 logic), și are ca ieșire o funcție simplă a acestor intrări, de exemplu ȘI logic sau SAU logic. O poartă logică nu are stări interne, intermediare. Aceasta înseamnă că pentru o combinație de valori binare (0 și 1) existentă la intrări, corespunde la ieșirea porții numai o anumită (definită) stare (valoare binară). Altfel exprimat, o poartă logică nu este, electronic, un circuit secvențial ci un circuit combinațional ("de combinare"),

Porțile logice elementare sunt: Poarta ȘI(AND), poarta SAU(OR), poarta ȘI-NU(NAND), poarta SAU-NU(NOR), poarta SAU-EXCLUSIV(XOR). Porțile ȘI-NU engleză: NAND) și SAU-NU (engleză: NOR) sunt numite și porți universale, pentru că cu ajutorul lor pot fi reproduse (combinațial) oricare din funcțiile celorlalte porți. Ele sunt din acest punct de vedere, porți fundamentale.

Porțile logice au cel puțin două intrări (cu excepția inversorului NU, engleză: NOT), putându-se ajunge până la 10 intrări, și o singură ieșire.

Inversare logică

Funcția NU logic. Are o singură intrare, deci nu poate fi considerată propriu zis o "poartă" (engleză: "gate"). Funcția relizată este inversarea (negarea) valoarii binare logice a singurei (a) intrări. Negarea (complementarea) logică sau inversarea:

dacă intrarea (a)=„0”, atunci nu(a)=„1” (a negat (inversat) este „1”; dacă intrarea (a)=„1”, atunci nu(a)=„0” (a negat (inversat) este „0”.

Poartă "ȘI logic"

Produsul logic(conjuncție sau intersecție) a două (a, b) sau mai multe intrări:

dacă a=„0”, b=„0”, atunci a·b=„0” (la ieșire) dacă a=„1”, b=„0”, atunci a·b=„0” (la ieșire) dacă a=„0”, b=„1”, atunci a·b=„0” (la ieșire) dacă a=„1”, b=„1”, atunci a.b=„1” (la ieșire)

Caracteristic unei porți ȘI (AND): Doar când toate intrările au aplicate semnale „1” (binar, logic) se obține la ieșirea porții valoarea binară „1”.

Ar mai exista o poartă XAND (ȘI exclusiv) cu proprietatea că A XAND B = [(!A)+B].[A+(!B)] însă e echivalentă cu o poartă XOR negată. ("!" = NOT A; "+" = OR, "." = AND)

Funcția NU logic. Are o singură intrare, deci nu poate fi considerată propriu zis o "poartă" (engleză: "gate"). Funcția relizată este inversarea (negarea) valoarii binare logice a singurei (a) intrări. Negarea (complementarea) logică sau inversarea:

dacă intrarea (a)=„0”, atunci nu(a)=„1” (a negat (inversat) este „1”; dacă intrarea (a)=„1”, atunci nu(a)=„0” (a negat (inversat) este „0”.

Poartă "ȘI logic"

Produsul logic(conjuncție sau intersecție) a două (a, b) sau mai multe intrări:

dacă a=„0”, b=„0”, atunci a·b=„0” (la ieșire) dacă a=„1”, b=„0”, atunci a·b=„0” (la ieșire) dacă a=„0”, b=„1”, atunci a·b=„0” (la ieșire) dacă a=„1”, b=„1”, atunci a.b=„1” (la ieșire)

Caracteristic unei porți ȘI (AND): Doar când toate intrările au aplicate semnale „1” (binar, logic) se obține la ieșirea porții valoarea binară „1”.

Ar mai exista o poartă XAND (ȘI exclusiv) cu proprietatea că A XAND B = [(!A)+B].[A+(!B)] însă e echivalentă cu o poartă XOR negată. ("!" = NOT A; "+" = OR, "." = AND)

Funcția NU logic. Are o singură intrare, deci nu poate fi considerată propriu zis o "poartă" (engleză: "gate"). Funcția relizată este inversarea (negarea) valoarii binare logice a singurei (a) intrări. Negarea (complementarea) logică sau inversarea:

dacă intrarea (a)=„0”, atunci nu(a)=„1” (a negat (inversat) este „1”; dacă intrarea (a)=„1”, atunci nu(a)=„0” (a negat (inversat) este „0”.

Poartă "ȘI logic"

Produsul logic(conjuncție sau intersecție) a două (a, b) sau mai multe intrări:

dacă a=„0”, b=„0”, atunci a·b=„0” (la ieșire) dacă a=„1”, b=„0”, atunci a·b=„0” (la ieșire) dacă a=„0”, b=„1”, atunci a·b=„0” (la ieșire) dacă a=„1”, b=„1”, atunci a.b=„1” (la ieșire)

Caracteristic unei porți ȘI (AND): Doar când toate intrările au aplicate semnale „1” (binar, logic) se obține la ieșirea porții valoarea binară „1”.

Ar mai exista o poartă XAND (ȘI exclusiv) cu proprietatea că A XAND B = [(!A)+B].[A+(!B)] însă e echivalentă cu o poartă XOR negată. ("!" = NOT A; "+" = OR, "." = AND)

1.1. Poarta “ŞI”, “AND”

Funcţia “ŞI” logic areurmătoareainterpretare:

- dacăcelpuţinuna din intrări se aflăîn 0 logic, atunciieşireava fi în 0 logic

- dacăambeleintrărisuntîn 1 logic atunciieşireava fi în 1 logic.

Simbolulporţii “ŞI”: Tabela de adevăr: Ecuaţiabooleană:

x y f

0 0 0

0 1 0

1 0 0

1 1 1

f=xy

1.2. Poarta “SAU”, “OR”

Funcţia “SAU” logic areurmătoareainterpretare:

- ieşireasaesteadevărată (1 logic) dacăcelpuţinuna din intrăriesteadevărată (1 logic)

- ieşireasaestefalsă (0 logic) dacăambeleintrărisunt false (0 logic).

Simbolul porţii “SAU”: Tabela de adevăr: Ecuaţiabooleană:

x y f

0 0 0

0 1 1

1 0 1

1 1 1

f=x+y

1.3. Poarta “NU”, “NOT”

Funcţia “NU” logic areurmătoareainterpretare:

- ieşireasaesteadevărată (1 logic) dacăintrareasaestefalsă (0 logic)

- ieşireasaestefalsă (0 logic) dacăintrareasaesteadevărată (1 logic).

Simbolulporţii “NU”: Tabela de adevăr: Ecuaţiabooleană:

x f

0 1

1 0

1.4. Poarta “ŞI-NU”, “NAND”

Funcţia “ŞI-NU” logic areurmătoareainterpretare:

- ieşireasaestefalsă (0 logic) dacăambeleintrărisuntadevărate (1 logic)

- ieşireasaesteadevărată (1 logic) dacăcelpuţinuna din intrăriestefalsă (0 logic).

Simbolu lporţii “ŞI-NU”: Tabela de adevăr: Ecuaţia booleană:

x y f

0 0 1

0 1 1

1 0 1

1 1 0

f=

1.5. Poarta “SAU-NU”, “NOR”

Funcţia “SAU-NU” logic areurmătoareainterpretare:

- ieşireasaestefalsă (1 logic) dacăcelpuţinuna din intrăriesteadevărată (1 logic)

- ieşireasaesteadevărată (0 logic) dacăambeleintrărisunt false (0 logic).

Simbolulporţii “SAU”: Tabela de adevăr: Ecuaţiabooleană:

x y f

0 0 1

0 1 0

1 0 0

1 1 0

f=

1.6. Poarta “SAU-EXCLUSIV”, “XOR”

Funcţia “SAU EXCLUSIV” logic are următoarea interpretare:

- semnalizează coincidenţa intrărilor prin ieşire falsă (0 logic)

- realizează sumarea modulo-2, .

Simbolulporţii “SAU-EXCLUSIV”: Tabela de adevăr: Ecuaţiabooleană:

x y f

0 0 0

0 1 1

1 0 1

1 1 0

f=xy

3.Caractere generele

1.1 DefinițiePorțile logice sunt circuite electronice capabile să efectueze operații logice simple sau compuse

cu semnalele electrice corespunzătoare celor două valori binare 0 și 1 aplicate la intrare.

1.2 Clasificarea porților logice a) după tehnologia de realizare se clasifică în:

- porți logice bipolare - porți MOS b) după funcțiile pe care le îndeplinesc se clasifică în:

- porți SI

- porți SAU

- porți NU

- combinații ale acestora (SI-NU, SAU-NU, SAU exclusiv)

Fişa de documentare 3.1 Porţi logice integrate

Porțile logice sunt circuite logice integrate cu ajutorul cărora sunt realizate (implementate) funcțiile logice de bază.

Ele au unasaumaimulteintrărişi o singurăieşire, care poate fi asociată cu unanumit mod de reprezentare: o expresielogică, un tabel de adevăr, un simbol logic etc.

Tipuri de porţi logice Poarta ŞI (AND)

Este un circuit cu 2, 3 sau 4 intrări, a cărui ieșire, Y, este în starea logică 1 dacă și numai dacă toate intrările sunt în starea logică 1.

Y = A * BBA

Analiza unui circuit cu porţi logice esteprocedeul prin care sedetermină funcţia logică la ieşirea acestuia.Această funcţie poate fi concretizată printr-o expresie logică, sau poate fi reprezentată în tabel de adevăr, sau diagramă Veitch-Karnaugh. În unele situaţii, mai ales în cazul circuitelor realizate cu diferite tipuri de porţi logice integrate, expresia funcţiei la ieşirea circuitului este simplificabilă până la o funcţie elementară, astfel încât circuitul poate fi înlocuit cu o singură poartă logică integrată.

Sinteza unui circuit cu porţi logice este procedeul prin care se ajunge la circuitul corespunzător unei funcţii logice date, procedeu care se mai numeşte implementare.

Etapele sintezei un circuit cu porţi logice Descrierea funcţiei logice (dacă nu e dată explicit) Minimizarea funcţiei logice pentru obținerea formei elementare Stabilirea variantei optime de implementare (număr minim de circuite integrate)

Se preferă porți logice de același tip, de aceea se rearanjează funcția logică (cu teorema lui De Morgan) fie ca un produs negat (pentru implementare cu porți ȘI NU), fie ca o sumă negată (pentru implementare cu porți SAU NU)

Desenarea circuitului logic cu porţi logice Realizarea practică a circuitului logic cu porţi logice

Circuitele integrate cu porți logice sunt încadrate în grupuri de circuite cu caracteristici similare, numite familii. Ele folosesc aceleași tensiuni de alimentare, iar condițiile de intrare și de ieșire prin care sunt reprezentate variabilele sunt identice.

După tipul tranzistoarelor utilizate, există două familii de porți logice integrate:

Familia de circuite logice integraterealizată cu tranzistoare bipolare, din care reprezentativă este familia TTL

Familia de circuite logice integrate realizată cu tranzistoare unipolare de tip MOS, din care reprezentativă este familia CMOS

Porțile logice integrate TTL sunt adaptabile la toate formele de circuite logice integrate și asigură un foarte bun raport între performanțe (viteza, puterea consumată) și preț.

În familia TTL poarta fundamentală este poarta ȘI NU.

. Porțile logice integrate CMOS au avantajul unei densități mari de componente pe unitatea de este inversorul suprafață a semiconductorului. De asemeni, consumul lor de putere este mult mai mic comparativ cu porțile logice TTL. În familia CMOS poarta fundamentală .

Funcționarea porților logice integrate este caracterizată de anumiți parametri, care reprezintă de fapt mărimi electrice (tensiuni electrice, curenți electrici, perioade de timp).

Principalii parametri ai porților logice integrate

Nivelele logice de intrare, definite ca nivelele de tensiune asociatecu valorile logice 1, respectiv 0, la intrarea unui circuit logic.Notaţii uzuale: VIL (pentru 0 logic), VIH (pentru 1 logic)

Nivelele logice de ieșire, definite ca nivelele de tensiune asociatecu valorile logice 1, respectiv 0, la ieșirea unui circuit logic.Notaţii uzuale:VOL (pentru 0 logic), VOH (pentru 1 logic)

Din considerente de cuplare optimă a ieșirii unui circuit cu intrarea altui circuit, este necesar ca nivelele logice de intrare să fie mai mari decât cele de ieșire.

Diferența dintre nivelele logice de intrare și cele de ieșire se numește margine de zgomot.

Curenţii de intrare, definiţi ca fiind acei curenţi care se închid (intră sau ies din circuit), prin intrarea unui circuit, pentru nivelele logice VIL şi VIH aplicate la intrare.Notaţii uzuale: IIL (pentru VIL), IIH (pentru VIH)

Curenții de ieșire, definiți ca fiind acei curenți care se închid (intră sau ies din circuit), prin ieșirea unui circuit, pentru nivelele logice VOL și VOH generate la ieșire.Notaţii uzuale: IOL (pentru VOL), IOH (pentru VOH)

Timpul de propagare,reprezintând intervalul de timp scurs între momentul aplicării unui semnal la intrarea unui circuit și momentul obținerii răspunsului la ieșirea acestuia.Notaţii uzuale: tpLH (pentru tranziții din 0 în 1),tpHL (pentru tranziții din 1 în 0)