【科普】逻辑门电路-1

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电路与电平

电路当中,电池总是能将电压提高,电灯(电阻)又总是把电压降低,因此才能在电池两端、电灯两端形成电压差。

如下图所示,粗细代表电压高,细线代表电压低。我们可以把电池看做水泵,把电压提高。我们也可以把电灯看做水坝,让电压流到低处。

电路中的电压变化

当我们在电路中插入一个晶体管,更多参照【科普】晶体管-1,如下图所示,当蓝色控制回路和橙色线路电压的差足够高,达到可以击穿晶体管的壁垒电位时候,即图中电压V达到一定值的时候(具体值大小要根据晶体管型号和负载回路的结构确定),在负载回路中就会形成电流。

电压V够大就能利用晶体管打通负载回路

在这个图中,蓝色线路的电池供电的电压高低直接影响了右侧晶体管的开或者关(电压V足够大就通,否则就断)。从这个角度上看,这条蓝色控制线就像门一样,决定了负载回路是否能形成电流。

非门 NOT Gate

非门就是否定的意思,你输入1它就输出0,你输入0它就输出1。
如何构建一个非门?看下图:

断开的非门

如果从Gate输入的电压很低,就无法击穿晶体管中的电路,那么整个负载回路并没有电流,所以上面输出的电压也是high。

相反,如果Input输入高电压high,那么就会激活负载回路,形成电流也就形成电压差异,这时候上面输出的电压就变为low。如下图:

输如low它就输出high,输入high它就输出low,这就是一个最简单的非门电路。
非门电路的符号如下图,也就是说下面一个符号可以代表上面图中全部电路:

非门符号

或非门 NOR Gate

我们还是考虑上面这个电路,如果有两个单独的开关会怎么样?

或非门NOR Gate

从图中我们可以看出,两个输入InputA和InputB,只要有一个high,最终输出Output就是low。如果AB两者都high,那么结果也是low。只在AB两者都low的时候,输出才是high。如下图所示:


或非门都断开

如果我们把high视为1,把low视为0,那么或非门仅在两个输入都是0的时候才会输出1。

或非门的符号如下:


为什么叫做“或非”门,看完下面的或门或许就明白了。

或门OR Gate

我们把一个或非门后面连接一个非门会怎样?

或非门+非门

或非门是两个输入只要有一个是1的时候就会得到0,只在都是0的时候才能得到1。那么上图就是两个输入只要有一个1的时候就会得到1,只有在两个都是0的时候才能得到0。

这个连接的结果就是两者只要有一个为真,结果就为真,除非两者都为假,结果才为假。if a==1 or b==1...,这不就是or的意思吗?

所以或非门连接非门得到或门或门的符号如下图(只比或非门少了个小圈):

或门符号

与门 AND Gate

我们还是使用NOT和NOR连接,但这次我们把NOR的两个输入前面添加两个NOT否定:

两个非门连或非门

我们知道,或非门是两个输入只要有一个是1的时候就会得到0,只在都是0的时候才能得到1,也就是:
11\to0,10\to0,01\to0,00\to1
现在输入连了两个非门,输入就被颠倒了,现在输入0相当于原来输入1,现在输入1相当于原来输入0,就得到:
00\to0,01\to0,10\to0,11\to1
这个规律可以描述为两者都为1结果才为1,if a==1 and b==1...,这就是与门AND Gate与门的符号是:

与门符号

与非门 NAND Gate

有了前面或非门的知识,与非门就好理解了,就是AND后面加个NOT:

AND连NOT

把上面与门的
00\to0,01\to0,10\to0,11\to1
翻转结果就得到与非门:
00\to1,01\to1,10\to1,11\to0
也就是两者都为1的时候结果才为0

与非门的符号如下,就是与门多了一个小圆圈:

与非门符号

还有一个异或门我们下一篇文章再介绍。


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