Bagaimana gerbang logika dibuat secara elektronik?

Jadi kita memiliki DAN, BUKAN, NAND, NOR, ATAU gerbang, tetapi bagaimana mereka dibuat secara elektronik / elektrik?

Misalnya, apa yang membuat NOT gate membalikkan nilainya?

Saya telah mengubah ini menjadi wiki komunitas sehingga kami dapat mengumpulkan implementasi gerbang logika yang keren untuk dijadikan referensi di masa mendatang.

Untuk mulai dengan Anda harus memahami transistor dengan cara yang sederhana. Saya akan berurusan dengan CMOS karena 99% dari semua logika yang pernah ada (dalam jumlah) ada sebagai CMOS.

Ada dua jenis transistor yang digunakan, PMOS dan NMOS, di sini adalah simbol mereka:

Transistor adalah sumber arus listrik yang dikendalikan / tenggelam. PMOS akan sumber arus (garis putus-putus dalam diagram menunjukkan aliran arus saat on) dari catu daya (terpasang ke sumber) melalui saluran dan ke sirkuit lain ketika tegangan Gerbang lebih rendah dari sumber. NMOS akan menenggelamkan arus ke tanah melalui selokan ke sumber (yang dalam hal ini Anda harus anggap sebagai bak cuci).

Harap dicatat bahwa saya telah mengambil beberapa kebebasan dengan penamaan demi kejelasan.

PMOS biasanya terhubung ke tegangan positif dan NMOS biasanya terhubung ke tegangan negatif yang biasanya di-ground.

Menariknya Anda bisa menumpuk perangkat untuk membuat berbagai fungsi. Penumpukan dua PMOS memberikan sumber arus yang dikontrol oleh dua tegangan, menumpuk dua NMOS memberikan wastafel saat ini yang dikendalikan oleh dua tegangan.

Perhatikan bahwa kedua Tegangan pada A (kami akan menyebutnya A) dan B KEDUA harus di bawah + V agar arus mengalir. Juga perhatikan bahwa Baik C dan D harus lebih tinggi dari Ground (simbol segitiga menetas lucu) untuk saat ini akan tenggelam (hangus?). Anda bisa mengatakan "Baik A DAN B harus rendah agar arus mengalir" dan "Baik C DAN D harus tinggi agar arus mengalir".

Sama seperti Anda dapat "menumpuk" (sebenarnya dimasukkan secara seri), Anda dapat perangkat paralel.

Anda dapat mengatakan bahwa "A atau B dapat rendah untuk mengalir saat ini" untuk PMOS dan Anda dapat mengatakan bahwa "C atau D dapat tinggi untuk mengalir saat ini" untuk sirkuit NMOS.

Anda akan melihat bahwa kita sudah menggunakan bahasa logika untuk menggambarkan fungsi (DAN, ATAU) jadi sekarang kita dapat mulai menyatukan sirkuit.

Invertor pertama:

Ketika Vin berada di darat, PMOS dihidupkan dan dapat sumber arus, tetapi NMOS dimatikan dan tidak bisa tenggelam arus. Akibatnya, pin Vout mencoba untuk mengisi daya ke kapasitansi yang tersedia dan mengisi daya hingga kapasitansi hingga mencapai tingkat V +.

Demikian juga ketika Vin Tinggi, NMOS dihidupkan dan dapat menenggelamkan arus, tetapi PMOS sekarang mati dan tidak dapat sumber arus. sebagai akibatnya, pin Vout mencoba menarik muatan dari kapasitansi yang tersedia dan melepaskan kapasitansi itu hingga mencapai permukaan tanah.

"Tinggi" pada input memberikan "rendah" pada output, "rendah" pada input memberikan "tinggi" pada output. Itu terbalik!

Jika Anda melihat simbol untuk PMOS dan NMOS Anda melihat bahwa gerbang terlihat seperti kapasitor pada simbol. Ini disengaja sebagai transistor MOS ADALAH kapasitor dan kapasitansi inilah yang dibebankan dan dikeluarkan selama operasi. Arus adalah aliran muatan per waktu dan kapasitansi adalah penyimpanan muatan per tegangan. Transistor mengubah tegangan gerbang menjadi arus terkontrol yang kemudian mengisi dan melepaskan kapasitansi gerbang yang mengubah perubahan muatan kembali menjadi perubahan tegangan.

Sekarang untuk dua gerbang input pertama gerbang NAND:

"Tumpukan" NMOS hanya akan menenggelamkan arus dalam satu kondisi, dan saat itulah KEDUA A & B tinggi. Perhatikan bahwa untuk kondisi itu KEDUA PMOS dimatikan (yaitu jangan sumber arus). Jadi dalam kondisi itu Vout akan tenggelam saat ini dan Vout akan Rendah.

Dalam semua kondisi lain, setidaknya salah satu PMOS akan sumber arus dan tumpukan NMOS tidak akan dapat tenggelam saat ini. Output kemudian diisi dan Vout = tinggi.

A B Out
0 0 1
0 1 1
1 0 1
1 1 0

Tabel kebenaran ini menunjukkan bahwa jika Tidak (A&B) AKA NAND. 0 = gnd, 1 = V +.

Untuk berubah menjadi gerbang AND Anda hanya perlu membalikkan output.

Dan itu adalah tabel kebenaran:

A B Out
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1

Dan di sebelah gerbang NOR

Saya harap sekarang Anda bisa mendapatkan tabel kebenaran sendiri.

C D Out
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 0

Ada simetri yang menyenangkan dari NOR ke NAND. strukturnya adalah inversi sederhana.

Sekarang OR

dan tabel kebenaran

C D Out
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1

Memperluas desain ke input pesanan lebih tinggi mudah, seperti yang ditunjukkan oleh 3 input NAND.

Dengan menempatkan NMOS dan PMOS dalam kombinasi seri / paralel, Anda dapat mengimplementasikan berbagai fungsi logika pada level transistor. Ini sering dilakukan untuk efisiensi area, efisiensi daya atau bahkan untuk kecepatan. Fungsi-fungsi ini tidak harus secara ketat fungsi AND, OR atau Xor. Berikut ini dikenal sebagai gerbang AND / OR:

dan memiliki tabel kebenaran berikut.

C A B Out
0 0 0 0
0 0 1 0
0 1 0 0
0 1 1 0
1 0 0 0
1 0 1 1
1 1 0 1
1 1 1 1

Paling tidak Anda berpikir bahwa ini adalah satu-satunya cara untuk mengimplementasikan fungsi-fungsi ini, saya akan memperkenalkan perangkat yang disebut gerbang transmisi.

Baik gerbang NMOS dan PMOS harus didorong dalam oposisi untuk bekerja dengan baik.

Berikut ini adalah rangkaian sampel yang dapat Anda lakukan dengan NMOS tambahan.

Di sini / A = Tidak (A) dalam logika digital

A + B = A ATAU B

A * B = A AND B

Jadi Anda dapat melihat bahwa hanya menggunakan 3 transistor Anda dapat menerapkan A ATAU B. Namun perlu diingatkan bahwa rangkaian ini memiliki efek samping yang serius dan tidak umum digunakan. Namun itu tetap ilustratif.

di sini adalah seluruh koleksi fungsi logika berbasis TG:

Ada juga Pass-Transistor-Logic atau PTL. Contohnya seperti:

Gerbang NOT khususnya dalam CMOS terdiri dari perangkat PMOS dan NMOS komplementer yang dikonfigurasi untuk membalikkan output.

Saran terbaik yang bisa saya berikan kepada Anda adalah dengan melihat buku Digital Integrated Circuits . Ia memiliki semua yang ingin Anda ketahui tentang cara mendesain logika pada level transistor.

Menggunakan RTL (Resistor-Transistor Logic).

Juga, beberapa gerbang dibuat dengan menggabungkan gerbang. Misalnya, XOR adalah (OR) AND (NOT AND). Juga, NAND hanyalah sebuah AND terbalik.

Inverter dan NOR: http://en.wikipedia.org/wiki/Resistor%E2%80%93transistor_logic
OR adalah OR terbalik.
DAN adalah NOR dengan input terbalik.
NAND adalah AND terbalik.
XOR adalah OR atau ANDed dengan NAND.
NXOR adalah XOR terbalik, atau DAN OR dengan NOR.

periksa tautan ini

http://www.instructables.com/id/Digital-Logic-Gates-Just-Using-Transistors/

BUKAN gerbang

ATAU gerbang

DAN gerbang

Anda mungkin akan memahaminya dengan lebih baik jika Anda memiliki representasi visual tentang apa yang terjadi di gerbang logika. Salah satu tempat terbaik untuk ini adalah simulator falstad interaktif yang luar biasa ini . Ini berbasis java dan dijalankan dari browser Anda.