Cổng logic là gì? Cấu tạo và phân loại cổng logic

Trong bài này tất cả chúng ta sẽ cùng tìm hiểu và khám phá về cổng logic, cấu trúc và phân loại cổng logic. Đây là một bước tiến cách mạng trong công nghiệp điện tử nói chung và sinh ra những nghành lập trình sau này nói riêng. Hãy cùng khám phá nhé !

Khái niệm những cổng logic

Trong điện tử học, cổng logic (tiếng Anh: logic gate) là mạch điện thực hiện một hàm Boole lý tưởng hóa. Có nghĩa là, nó thực hiện một phép toán logic trên một hoặc nhiều logic đầu vào, và tạo ra một kết quả logic ra duy nhất, với thời gian thực hiện lý tưởng hóa là không có trễ.

Các đại lượng nhị phân trong trong thực tiễn là những đại lượng Vật lý khác nhau ( dòng điện, điện áp, áp suất … ). Các đại lượng đó hoàn toàn có thể biểu lộ bằng hai trạng thái có ‘ 1 ’ hoặc không ’ 0 ’ .

Các cổng logic là các phần tử đóng vai trò chủ yếu để thực hiện các chức năng logic đơn giản nhất trong các sơ đồ logic nhằm thực hiện một hàm logic nào đó. Quan hệ logic cơ bản nhất có ba loại: AND, OR, NOT. Cổng logic gồm các phần tử có nhiều đầu vào và chỉ có một đầu ra. Đầu ra là tổ hợp của các đầu vào. Từ các cổng logic ta có thể kết hợp lại để tạo ra nhiều mạch logic thực hiện các hàm logic phức tạp hơn.

Bảng chân lý ( Bảng thực sự )

Mô tả phân phối của mạch tại ngõ ra so với những tổng hợp mức logic khác nhau tại những ngõ vào. Mức logic tại những ngõ vào / ra chỉ nhận một trong hai giá trị 0 hoặc 1. Với mạch logic có N ngõ vào thì sẽ có 2N tổng hợp hay trạng thái của ngõ ra .
Ví dụ :

Mạch logic 2 ngõ vào, 1 ngõ ra :

Mạch logic 3 ngõ vào, 1 ngõ ra :

Phân loại những cổng logic

Trước khi đi vào khám phá một số ít loại cổng logic, bạn nên biết lao lý về mức 0 và mức 1 như sau :

• Nếu IC của TTL thì điện áp vào là 5V, khi đó ta có mức 1 = 5V và mức 0 là = 0V .
• Nếu IC của CMOS thì điện áp vào Vdd = 3V – 18V do đó mức 1 = Vdd và mức 0 vẫn là = 0V .

Các cổng logic cơ sở

Cổng OR ( HOẶC )

Cổng HOẶC có 2 hoặc nhiều lối vào và chỉ có một lối ra. Lối ra ở mức 1 nếu có ít nhất một lối vào ở mức 1 (Lối ra có tín hiệu khi một lối vào có tín hiệu ).Ta có bảng chân lý sau:

 

Ta viết Y = A + B và nói cổng HOẶC triển khai phép cộng logic .

Nhận xét:
Y = 0 : khi tất cả các biến vào đều bằng 0
Y = 1: khi có ít nhất một biến vào bằng 1

Giản đồ xung:

Trường hợp tổng quát cổng OR có nhiều biến vào độc lập

Ta hoàn toàn có thể xem cổng HOẶC như một mạch điện mắc song song như hình dưới :

Trong mạch điện, ta thấy chỉ cần một chuyển mạch A, B hoặc C đóng, đèn sẽ sáng ngay .
Cổng logic OR triển khai quan hệ : một sự kiện sẽ xảy ra khi chỉ cần một điều kiện kèm theo quyết định hành động sự kiện đó được cung ứng .

Cổng AND ( VÀ )

Cổng VÀ có 2 hoặc nhiều lối vào và chỉ có một lối ra. Lối ra chỉ ở mức 1 nếu tổng thể lối vào đều ở mức 1 ( Lối ra có tín hiệu khi toàn bộ lối vào đều có tín hiệu ) .
Ta viết Y = AB và nói cổng VÀ triển khai phép nhân logic

Nhận xét:
Y = 0 : khi có ít nhất một biến vào bằng 0
Y = 1: khi tất cả các biến vào đều bằng 1

Giản đồ xung:

Trường hợp tổng quát cổng AND có nhiều biến vào độc lập

Ta hoàn toàn có thể xem cổng AND như một mạch điện mắc tiếp nối đuôi nhau :

Trong mạch điện, ta thấy khi toàn bộ những chuyển mạch A, B, C đều đóng, đèn mới sáng được .
Cổng logic AND triển khai quan hệ : một sự kiện sẽ xảy ra khi toàn bộ mọi điều kiện kèm theo quyết định hành động sự kiện đó được phân phối .

Cổng NO ( KHÔNG )

Còn gọi là cổng hòn đảo. Cổng chỉ có một lối vào và một lối ra. Cổng KHÔNG thực thi phép phủ định logic. Cổng KHÔNG còn gọi là cổng chặn .

Giản đồ xung:

Các cổng logic ghép

Cổng NAND ( KHÔNG VÀ )

Cổng KHÔNG VÀ là cổng VÀ bị phủ định. Biểu diễn :

Bảng sự thật với hàm NAND 2 biến:

Nhận xét:
Y = 0 : khi tất cả các biến vào đều bằng 1
Y = 1: khi có ít nhất một biến vào bằng 0

Giản đồ xung:

Trường hợp tổng quát cổng NAND có nhiều biến vào độc lập

Cổng NOR ( KHÔNG HOẶC )

Cổng KHÔNG HOẶC là cổng HOẶC bị phủ định. Biểu diễn :

 

Bảng thực sự với hàm NOR 2 biến :

Nhận xét:
Y = 0 : khi có ít nhất một biến vào bằng 1
Y = 1: khi tất cả các biến vào đều bằng 0

Giản đồ xung:

Trường hợp tổng quát cổng NOR có nhiều biến vào độc lập

Cổng khác dấu

Cổng Exclusive OR ( HOẶC loại trừ )

Cổng hoặc loại trừ còn gọi là cổng cộng modul 2 hoặc là cộng không nhớ, gọi tắt là EX-OR. Có biểu thức logic :

Ta có sơ đồ mạch như hình :

Bảng thực sự với hàm EX-OR 2 biến :

Nhận xét:
Y = 0 : khi tất cả hai biến vào có giá trị giống nhau
Y = 1 : khi tất cả hai biến vào có giá trị khác nhau

So sánh với cổng logic OR, ta thấy 3 trạng thái đầu là của cổng logic OR chỉ khác trạng thái thứ tư, ta gọi là cổng logic KHÔNG đồng trị hay là HOẶC loại trừ ( Exclusive OR ), có ký hiệu :

Đầu ra của cổng EX-OR bằng 1 khi hai đầu vào khác trạng thái và bằng 0 khi cùng trạng thái. Nếu nhiều nguồn vào thì đầu ra sẽ bằng 1 khi số bit 1 ở đầu vào là số lẻ và bằng 0 khi số bit 1 ở đầu vào là số chẵn .
Lưu ý : Cổng EX-OR chỉ có 2 ngõ vào .

Giản đồ xung:

Cổng Exclusive NOR ( không hoặc loại trừ )

Một cổng logic khác cũng thường được sử dụng đó là cổng Exclusive NOR ( EX-NOR ) còn gọi là cổng đồng dấu. Biểu diễn :

Mạch logic để triển khai hàm logic trên :

Bảng thực sự với hàm EX-NOR 2 biến :

Nhận xét:
Y = 0 : khi tất cả hai biến vào có giá trị khác nhau
Y = 1 : khi tất cả hai biến vào có giá trị giống nhau

Cổng EX-NOR logic :

Lưu ý : Cổng EX-NOR chỉ có 2 ngõ vào .

Giản đồ xung:

Đầu ra của cổng EX-NOR bằng 1 khi hai đầu vào cùng trạng thái và bằng 0 khi khác trạng thái. Nếu nhiều nguồn vào thì đầu ra sẽ bằng 1 khi số bit 0 ở đầu vào là số lẻ và bằng 0 khi số bit 0 ở đầu vào là số chẵn. Thí dụ : bảng trạng thái của một cổng EX-NOR 3 nguồn vào :

Ta thường dùng những cổng EX-OR và EX-NOR trong những bộ so sánh, bộ cộng …
Trong những cổng trên, hai cổng NAND và NOR được dùng rất linh động. Từ hai cổng này, ta hoàn toàn có thể tạo ra những cổng logic cơ bản NO, AND, OR

• Dùng những cổng NAND :

• Dùng những cổng NOR :

Cổng logic 3 trạng thái tiến sỹ ( three state )

Cổng logic ba trạng thái là cổng logic mà đầu ra có thêm trạng thái thứ ba gọi là trạng thái treo ngoài hai trạng thái 1 và 0. Đầu ra Y hoàn toàn có thể nằm ở một trong ba trạng thái sau :
Trạng thái mức cao và mức thấp 1 hoặc 0. Trạng thái thứ ba là trạng thái treo hay còn gọi là trạng thái tổng trở cao. Lúc đó đầu ra Y tách ra khỏi mạng lưới hệ thống .
Mô tả mạch logic 3 trạng thái :

Khi K1 đóng đầu ra có trạng thái 0, Khi K1, K2 đóng, đầu ra có trạng thái 1. Khi K1, K2 cùng tắt, mạch ở trạng thái thứ 3 tổng trở cao. Đầu ra Y tách khỏi mạch ( dù thực tiễn nó vẫn nôi với mạch. CS ( Chip Select ) dùng để chọn chip. CS sẽ điều khiển và tinh chỉnh mạch ở trạng thái thứ ba. Khi CS = 1 ( hoặc 0 thì hai khóa đều mở, độc lập với tín hiệu vào A, B .
Cổng logic 3 trạng thái được sử dụng khi ta cần ghép kênh những tín hiệu cần truyền luân lưu trên một dây dẫn AB ( AB còn gọi là bus ) .

• Trạng thái treo ở mức thấp :

• Trạng thái treo ở mức cao :

Ưu điểm điển hình nổi bật của những vi mạch logic ba trạng thái là ta hoàn toàn có thể nối đầu ra của vi mạch lên cùng một kênh truyền chung. Điều này làm đơn thuần rất nhiều cho việc tạo lập kênh truyền số liệu trong một mạng lưới hệ thống logic. Một ví dụ về việc nối vi mạch logic trên một kênh truyền :

Nếu tín hiệu điều khiển và tinh chỉnh C, C ’, C ’ ’ có thứ tự thời hạn ở mức cao, thì những tín hiệu tài liệu ở ba nhóm nguồn vào sau khi đã triển khai quan hệ logic sẽ đưa ra bus luân lưu theo thứ tự thời hạn tương ứng. Để những cổng tiến sỹ hoạt động giải trí thông thường thì ở một thời gian bất kể chỉ được cho phép một cổng duy nhất ở trạng thái công tác làm việc. Nếu không sẽ xảy ra trường hợp một lúc có đến hai đầu ra của cổng cùng thông với bus, nếu hai cổng này có đầu ra khác trạng thái một ở muác cao, một ở mức thấp sẽ đưa đến hỏng cổng .

Ứng dụng của những cổng logic

Các ứng dụng của cổng logic hầu hết được xác lập dựa trên bảng trạng thái của chúng, tức là phương pháp hoạt động giải trí của chúng. Các cổng logic cơ bản được sử dụng trong nhiều mạch điện như khóa nút nhấn, kích hoạt báo trộm bằng ánh sáng, bộ kiểm soát và điều chỉnh nhiệt độ, mạng lưới hệ thống tưới nước tự động hóa, v.v.
Ngoài ra, cổng logic cũng chính là những thành phần cấu thành nên những mạch tổng hợp ví dụ điển hình như mạch giải thuật, mạch mã hóa, mạch đa hợp, mạch giải phức hợp, …

Kết

Hi vọng sau bài viết này những bạn đã hiểu qua về cổng logic. Để thực sự nắm rõ tất cả chúng ta cần phải học thêm khá nhiều. Đây cũng là phần cốt lõi nếu những bạn muốn trở thành một kĩ sư phong cách thiết kế IC .
Nếu cảm thấy bài viết có ích hay nhìn nhận và san sẻ cho bè bạn. Đừng quên tham gia nhóm Nghiện lập trình để cùng trao đổi và liên kết nhé !

4.5 / 5 – ( 4 bầu chọn )