Инвертор (логический вентиль)

Традиционный символ НЕ-затвора (инвертора)

В цифровой логике инвертор или вентиль НЕ представляет собой логический вентиль , который реализует логическое отрицание . Он выводит бит , противоположный тому биту, который в него вложен. Биты обычно реализуются как два разных уровня напряжения .

Описание

инвертора Таблица истинности
Вход	Выход
А	НЕ А
0	1
1	0

Вентиль НЕ выдает ноль, если задана единица, и единицу, если задан ноль. Следовательно, он инвертирует свои входы. В просторечии такая инверсия битов называется «переворачиванием» битов. ^[1] Как и во всех двоичных логических элементах, вместо единицы и нуля могут использоваться другие пары символов, например «истина» и «ложь» или «высокий» и «низкий».

Он эквивалентен оператору логического отрицания (¬) в математической логике . Поскольку у нее только один вход, это унарная операция простейшего типа и таблица истинности . Его еще называют воротами дополнения. ^[2] потому что он производит единиц дополнение двоичного числа до , меняя местами 0 и 1.

Вентиль НЕ является одним из трех основных логических вентилей, из которых любая булева схема может быть построена . Вместе с вентилями «И» и «ИЛИ» можно реализовать любую функцию бинарной математики. Все остальные логические элементы могут быть составлены из этих трех. ^[3]

Термины «программируемый инвертор» или «управляемый инвертор» не относятся к этому вентилю; вместо этого эти термины относятся к логическому элементу исключающее ИЛИ , поскольку он условно может функционировать как логический элемент НЕ. ^[1]^[3]

Символы

Традиционный символ ворот НЕ; иногда треугольник опускается или в строке ввода может быть помещен кружок ^[3]

IEC NOT Символ ворот

Традиционным символом инверторной схемы является треугольник, касающийся маленького круга или «пузыря». К символу прикрепляются входные и выходные линии; пузырь обычно прикрепляется к выходной линии. Чтобы обозначить входной сигнал с активным низким уровнем , иногда вместо этого на строке ввода помещается пузырь. ^[4] Иногда используется только круглая часть символа, и она присоединяется к входу или выходу других ворот; символы NAND и NOR . таким образом формируются ^[3]

Черта или черта ( ‾ ) над переменной может обозначать отрицание (или инверсию или дополнение), выполняемое логическим элементом НЕ. ^[4] Также используется косая черта (/) перед переменной. ^[3]

Электронная реализация

Схема инвертора выдает напряжение, представляющее логический уровень, противоположный его входу. Его основная функция — инвертировать подаваемый входной сигнал. Если приложенный входной сигнал низкий, то выходной сигнал становится высоким, и наоборот. Инверторы могут быть сконструированы с использованием одного NMOS -транзистора или одного PMOS- транзистора, соединенного с резистором . Поскольку в этом подходе с «резистивным стоком» используется только один тип транзистора, его можно изготовить с низкой стоимостью. Однако, поскольку ток протекает через резистор в одном из двух состояний, конфигурация с резистивным стоком имеет недостатки с точки зрения энергопотребления и скорости обработки. Альтернативно, инверторы могут быть построены с использованием двух комплементарных транзисторов в КМОП- конфигурации. Такая конфигурация значительно снижает энергопотребление, поскольку в обоих логических состояниях один из транзисторов всегда выключен. ^[5] Скорость обработки также может быть улучшена благодаря относительно низкому сопротивлению по сравнению с устройствами типа NMOS или PMOS. Инверторы также могут быть сконструированы с использованием транзисторов с биполярным переходом (BJT) либо в конфигурации резистор-транзисторной логики (RTL), либо в конфигурации транзистор-транзисторной логики (TTL).

Схемы цифровой электроники работают при фиксированных уровнях напряжения, соответствующих логическому 0 или 1 (см. двоичный код ). Схема инвертора служит основным логическим элементом для переключения между этими двумя уровнями напряжения. Реализация определяет фактическое напряжение, но общие уровни включают (0, +5 В) для схем TTL.

NMOS Логический инвертор
PMOS Логический инвертор
Статический КМОП логический инвертор
NPN- резисторно-транзисторный логический инвертор
NPN Транзисторно-транзисторный логический инвертор

Цифровой строительный блок

Инвертор является основным строительным блоком цифровой электроники. Мультиплексоры, декодеры, конечные автоматы и другие сложные цифровые устройства могут использовать инверторы.

Шестнадцатеричный инвертор представляет собой интегральную схему , содержащую шесть ( шестнадцатеричных ) инверторов. Например, 7404 микросхема TTL , имеющая 14 контактов, и микросхема CMOS 4049 , имеющая 16 контактов, 2 из которых используются для питания/задания, а 12 из них используются для входов и выходов шести инверторов (у 4049 есть 2 контакта без подключения).

Аналитическое представление

$f(a)=1-a$ является аналитическим представлением вентиля НЕ:

$f(0)=1-0=1$
$f(1)=1-1=0$

Альтернативы

Если конкретных вентилей НЕ нет, их можно сделать из универсальных вентилей И-НЕ или ИЛИ-НЕ . ^[6] или вентиль XOR , установив один вход на высокий уровень.

Желаемые ворота	NAND-конструкция	НОР строительство

Измерение производительности

Качество цифрового инвертора часто измеряется с помощью кривой передачи напряжения (VTC), которая представляет собой график зависимости выходного напряжения от входного напряжения. Из такого графика можно получить параметры устройства, включая устойчивость к шуму, коэффициент усиления и уровни рабочей логики.

В идеале VTC выглядит как инвертированная ступенчатая функция – это указывает на точное переключение между включением и выключением – но в реальных устройствах существует область постепенного перехода. VTC указывает, что при низком входном напряжении схема выдает высокое напряжение; для высокого входного сигнала выходной сигнал сужается к низкому уровню. Наклон этой переходной области является мерой качества: крутые (близкие к вертикальным) наклоны обеспечивают точное переключение.

Устойчивость к шуму можно измерить путем сравнения минимального входного сигнала с максимальным выходным для каждой области работы (вкл./выкл.).

Линейная область как аналоговый усилитель

Поскольку область перехода крутая и приблизительно линейная, цифровой логический элемент КМОП-инвертора с правильным смещением можно использовать в качестве аналогового линейного усилителя с высоким коэффициентом усиления. ^[7]^[8]^[9]^[10]^[11] или даже объединены в операционный усилитель . ^[12] Максимальный коэффициент усиления достигается, когда рабочие точки входа и выхода имеют одинаковое напряжение, которое можно сместить, подключив резистор между выходом и входом. ^[13]

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б Ван Хаутвен, Лоуренс (2017). Крипто 101 (PDF) . п. 17.
^ «2.9 Цифровые логические элементы» (PDF) . Вавилонский университет .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Брош, Джеймс Д. (2012). Практические программируемые схемы: Руководство по ПЛИС, конечным автоматам и микроконтроллерам . Эльзевир Наука. п. 19. ISBN 978-0323139267 .
^ Перейти обратно: ^а ^б «Учебное пособие по логике, а не воротам» . Учебники по электронике . 20 августа 2013 г.
^ Наир, Б. Соманатан (2002). Цифровая электроника и логическое проектирование . PHI Learning Pvt. ООО с. 240. ИСБН 9788120319561 .
^ М. Моррис, Мано; Р. Кайм, Чарльз (2004). Основы логики и компьютерного проектирования (3-е изд.). Прентис Холл. п. 73. ИСБН 0133760634 .
^ «Примечания по применению 88: линейные приложения КМОП» (PDF) . Национальный полупроводник . Апрель 2003 г. [июль 1973 г.].
^ Стоньер-Гибсон, Дэвид. «КМОП-вентиль как линейный усилитель» . Группа микроконтроллеров, Мураббин, Мельбурн . Архивировано из оригинала 31 марта 2022 г. Проверено 18 мая 2023 г.
^ КМОП-инверторы как аналоговые усилители (Приключения в области программируемых аналоговых массивов) , получено 18 мая 2023 г. , Аарон Лантерман, Технологический институт Джорджии
^ «КМОП-инвертор как усилитель | Аналоговый КМОП-проектирование || Учебное пособие по электронике» . www.electronics-tutorial.net . Проверено 18 мая 2023 г.
^ «Деятельность: каскады усилителей КМОП — ADALM2000 [Analog Devices Wiki]» . Wiki.analog.com . Архивировано из оригинала 8 августа 2022 г. Проверено 18 мая 2023 г.
^ Велтин-Ву, Колин (18 ноября 2013 г.). «Настоящий операционный усилитель, сделанный из инверторов» . ЭДН . Проверено 18 мая 2023 г.
^ Бэ, Вурхэм (20 сентября 2019 г.). «КМОП-инвертор как аналоговая схема: обзор» . Журнал маломощной электроники и приложений . 9 (3): 26. дои : 10.3390/jlpea9030026 . ISSN 2079-9268 .

Внешние ссылки

Ворота НЕ в «Все о схемах»
Вентиль НЕ в книге «Проектирование с использованием интегральных схем TTL» 1971 года.

[VanHoutven2017-1] Перейти обратно: ^а ^б Ван Хаутвен, Лоуренс (2017). Крипто 101 (PDF) . п. 17.

[2] «2.9 Цифровые логические элементы» (PDF) . Вавилонский университет .

[Broesch2012-3] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Брош, Джеймс Д. (2012). Практические программируемые схемы: Руководство по ПЛИС, конечным автоматам и микроконтроллерам . Эльзевир Наука. п. 19. ISBN 978-0323139267 .

[ElectronicsTutorials-4] Перейти обратно: ^а ^б «Учебное пособие по логике, а не воротам» . Учебники по электронике . 20 августа 2013 г.

[5] Наир, Б. Соманатан (2002). Цифровая электроника и логическое проектирование . PHI Learning Pvt. ООО с. 240. ИСБН 9788120319561 .

[6] М. Моррис, Мано; Р. Кайм, Чарльз (2004). Основы логики и компьютерного проектирования (3-е изд.). Прентис Холл. п. 73. ИСБН 0133760634 .

[7] «Примечания по применению 88: линейные приложения КМОП» (PDF) . Национальный полупроводник . Апрель 2003 г. [июль 1973 г.].

[8] Стоньер-Гибсон, Дэвид. «КМОП-вентиль как линейный усилитель» . Группа микроконтроллеров, Мураббин, Мельбурн . Архивировано из оригинала 31 марта 2022 г. Проверено 18 мая 2023 г.

[9] КМОП-инверторы как аналоговые усилители (Приключения в области программируемых аналоговых массивов) , получено 18 мая 2023 г. , Аарон Лантерман, Технологический институт Джорджии

[10] «КМОП-инвертор как усилитель | Аналоговый КМОП-проектирование || Учебное пособие по электронике» . www.electronics-tutorial.net . Проверено 18 мая 2023 г.

[11] «Деятельность: каскады усилителей КМОП — ADALM2000 [Analog Devices Wiki]» . Wiki.analog.com . Архивировано из оригинала 8 августа 2022 г. Проверено 18 мая 2023 г.

[12] Велтин-Ву, Колин (18 ноября 2013 г.). «Настоящий операционный усилитель, сделанный из инверторов» . ЭДН . Проверено 18 мая 2023 г.

[13] Бэ, Вурхэм (20 сентября 2019 г.). «КМОП-инвертор как аналоговая схема: обзор» . Журнал маломощной электроники и приложений . 9 (3): 26. дои : 10.3390/jlpea9030026 . ISSN 2079-9268 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

v т и Общие логические связи
Тавтология / Правда $\top$
Альтернативное отрицание ( ворота NAND ) $\uparrow$ Обратная импликация $\leftarrow$ Импликация ( ворота IMPLY ) $\rightarrow$ Дизъюнкция ( ворота ИЛИ ) $\lor$
Отрицание ( НЕ ворота ) $\neg$ Эксклюзивное или ( ворота XOR ) $\not \leftrightarrow$ Двуусловный ( ворота XNOR ) $\leftrightarrow$ Оператор ( цифровой буфер )
Совместное отрицание ( ворота NOR ) $\downarrow$ Неимпликация ( ворота NIMPLY ) $\nrightarrow$ Обратная неимпликация $\nleftarrow$ Соединение ( ворота И ) $\land$
Противоречие / Ложь $\bot$
Философский портал