逻辑门——定义、类型、用途
半导体材料的电导率介于导体（如金属铜）和绝缘体（如玻璃）的电导率之间。随着温度升高，其电阻率降低，而金属则具有相反的效果。晶体结构的导电性可以通过向其引入杂质（掺杂）以有利的方式进行修改。当同一晶体中存在两个单独的掺杂区时，就会产生一个半导体结。这些结处的电荷载流子（例如电子、离子和电子空穴）的行为是二极管、晶体管和大多数现代电子产品的基础。
半导体包括硅、锗、砷化镓和元素周期表中所谓的准金属阶梯上的元素。继硅之后，砷化镓是第二常见的半导体，用于激光二极管、太阳能电池、微波频率集成电路等。硅是制造几乎所有电路的关键组件。
逻辑门
A logic gate is a simple switching circuit that determines whether an input pulse can pass through to the output in digital circuits.
数字电路的构建块是逻辑门，它执行任何数字电路所需的大量逻辑操作。这些可以接受两个或更多输入，但只产生一个输出。
施加在逻辑门上的输入混合决定了它的输出。逻辑门使用布尔代数来执行逻辑过程。几乎在我们经常使用的每一个数字小工具中都可以找到逻辑门。逻辑门用于我们的电话、笔记本电脑、平板电脑和存储设备的架构中。
布尔代数
Boolean algebra is a type of logical algebra in which symbols represent logic levels.
The digits(or symbols) 1 and 0 are related to the logic levels in this algebra; in electrical circuits, logic 1 will represent a closed switch, a high voltage, or a device’s “on” state. An open switch, low voltage, or “off” state of the device will be represented by logic 0.
在任何时候，数字设备都将处于这两种二进制情况之一。灯泡可用于演示逻辑门的操作。当向开关提供逻辑 0 时，开关关闭，灯泡不亮。当应用逻辑 1 时，开关处于 ON 状态，并且灯泡会亮起。在集成电路（IC）中，广泛采用逻辑门。
Truth Table: The outputs for all conceivable combinations of inputs that may be applied to a logic gate or circuit are listed in a truth table. When we enter values into a truth table, we usually express them as 1 or 0, with 1 denoting True logic and 0 denoting False logic.
逻辑门的类型
逻辑门是允许数据传输的数字门。逻辑门，使用逻辑来确定是否传递信号。另一方面，逻辑门基于一组规则来管理信息流。通常使用以下类型的逻辑门：
- 和
- 要么
- 不是
- 也不
- 与非
- 异或
- 异或
基本逻辑门
- 与门
与门具有单个输出和两个或多个输入。
- 当所有输入为 1 时，此门的输出为 1。
- 如果有两个输入 A 和 B，则与门的布尔逻辑是Y=AB 。
与门的符号和真值表如下： Input Output A B A AND B 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1
与门的符号
因此，在与门中，当所有输入为高时，输出为高。
- 或门
两个或多个输入和一个输出可用于 OR 门。
- 此门的逻辑是，如果至少有一个输入为 1，则输出将为 1。
- 如果有两个输入 A 和 B，或门的输出将由以下数学过程给出： Y=A+B
Input | Output | |
A | B | A OR B |
0 | 0 | 0 |
0 | 1 | 1 |
1 | 0 | 1 |
1 | 1 | 1 |
或门的符号
因此，在或门中，当任何输入为高时，输出为高。
- 非门
非门是基本的单输入单输出门。
- 当输入为 1 时，输出为 0，反之亦然。非门有时因其特性而被称为反相器。
- 如果只有一个输入 A，则可以使用布尔方程 Y=A' 计算输出。
Input | Output |
A | Not A |
0 | 1 |
1 | 0 |
非门的符号
如真值表所示，非门反转输入信号。
通用逻辑门
- 或非门
或非门，有时称为“非或”门，由一个或门和一个非门组成。
- 只有当所有输入为 0 时，此门的输出才为 1。或者，当所有输入为低时，输出为高。
- 如果有两个输入 A 和 B，则 NOR 门的布尔语句为 Y=(A+B)'。
Input | Output | |
A | B | A NOR B |
0 | 0 | 1 |
0 | 1 | 0 |
1 | 0 | 0 |
1 | 1 | 0 |
或非门的符号
通过比较真值表，我们可以观察到 NOR 门的输出与 OR 门的输出截然相反。或非门有时被称为通用门，因为它可用于实现或、与和非门。
- 与非门
与非门，有时也称为“非与”门，本质上是一个非门，后跟一个与门。
- 仅当没有输入为 1 时，此门的输出为 1。或者，当所有输入都不为高且至少有一个为低时，输出为高。
- 如果有两个输入 A 和 B，则与非门的布尔表达式为 Y=(AB)'
Input | Output | |
A | B | A NAND B |
0 | 0 | 1 |
0 | 1 | 1 |
1 | 0 | 1 |
1 | 1 | 0 |
与非门的符号
通过比较它们的真值表，我们可以观察到它们的输出与与门相反。 NAND 门被称为通用门，因为它可用于实现 AND、OR 和 NOT 门。
其他逻辑门
- 异或门
异或或“异或”门是一种数字逻辑门，它接受两个以上的输入，但只输出一个值。
- 如果任何输入为“高”，则异或门的输出为“高”。如果两个输入均为“高”，则输出为“低”。如果两个输入均为“低”，则输出为“低”。
- 如果有两个输入 A 和 B，则 XOR 门的布尔方程为 Y=A'.B+AB'。
Input | Output | |
A | B | A XOR B |
0 | 0 | 0 |
0 | 1 | 1 |
1 | 0 | 1 |
1 | 1 | 0 |
异或门的符号
正如我们从真值表中看到的那样，它的输出基于 OR 门逻辑。
- 异或门
异或或“异或”门是一种数字逻辑门，它接受两个以上的输入，但只输出一个。
- 如果两个输入均为“高”，则 XNOR 门的输出为“高”。如果两个输入均为“低”，则输出为“低”。如果输入之一为“低”，则输出为“低”。
- 如果有两个输入 A 和 B，那么 XNOR 门的布尔方程为：Y=A.B+A'B'。
Input | Output | |
A | B | A XNOR B |
0 | 0 | 1 |
0 | 1 | 0 |
1 | 0 | 0 |
1 | 1 | 1 |
XNOR门的符号
真值表显示其输出基于 NOR 门逻辑。
逻辑门的用途
- 逻辑门用于多种技术。这些是芯片 (IC) 的组件，它是计算机、电话、笔记本电脑和其他电子设备的组件。
- 逻辑门可以以多种方式组合，其中一百万种组合是制造最新的小工具、卫星甚至机器人所必需的。
- 简单的逻辑门组合也可以在防盗报警器、蜂鸣器、开关和路灯中找到。由于这些门可以根据逻辑选择启动或停止，因此它们经常用于各种领域。
- 逻辑门在数据传输、计算和数据处理中也很重要。甚至晶体管-晶体管逻辑和 CMOS 电路也广泛使用逻辑门。
示例问题
问题1：什么是逻辑门？
回答：
Logic gates are digital circuits that conduct logical operations on the input provided to them and produce appropriate output.
问题 2：什么是通用门？
回答：
To accomplish a specific logical process, universal gates are created by merging two or more fundamental gates. Universal gates are NAND and NOR gates.
问题 3：当输入 0 时，非门的输出是什么？
回答：
Because NOT gate is an inverter. As a result, if 0 is used as an input, the output will be 1.
问题4：哪个逻辑门被称为“反相器”？
回答：
An invertor is also known as a NOT gate. The obtained output is the inverse of the input.
问题 5：或门的布尔表达式是什么？
回答：
If A and B are the input, then the OR gate output can be given as Y=A+B.
问题 6：XNOR 门的布尔表达式是什么？
回答：
If A and B are the input, then the XNOR gate output can be given as Y=A.B+A’B’.