Logische poort (AND, OR, XOR, NOT, NAND, NOR en XNOR)

Een logische poort is een apparaat dat als bouwsteen voor digitale schakelingen fungeert. Ze voeren logische basisfuncties uit die fundamenteel zijn voor digitale schakelingen. De meeste elektronische apparaten die we vandaag de dag gebruiken zullen een of andere vorm van logische poorten in zich hebben. Logische poorten kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt in smartphones, tablets of geheugenapparaten.

In een schakeling nemen logische poorten beslissingen op basis van een combinatie van digitale signalen die van de ingangen komen. De meeste logische poorten hebben twee ingangen en één uitgang. Logische poorten zijn gebaseerd op booleaanse algebra. Op elk willekeurig moment verkeert elke terminal in één van de twee binaire toestanden: vals of waar. Onwaar staat voor 0, en waar voor 1. Afhankelijk van het type logische poort dat wordt gebruikt en de combinatie van ingangen, zal de binaire output verschillen. Een logische poort kan worden gezien als een lichtschakelaar, waarbij in de ene stand de uitgang uit is -- 0, en in een andere stand aan -- 1. Logische poorten worden vaak gebruikt in geïntegreerde schakelingen (IC).

Basislogische poorten

Er zijn zeven basislogische poorten: AND, OR, XOR, NOT, NAND, NOR, en XNOR.

AND | OR | XOR | NOT | NAND | NOR | XNOR

De AND gate wordt zo genoemd omdat, als 0 "onwaar" is en 1 "waar", de poort op dezelfde manier werkt als de logische "en"-operator. De volgende illustratie en tabel tonen het schakelsymbool en de logische combinaties voor een AND poort. (In het symbool staan de ingangsaansluitingen links en de uitgangsaansluitingen rechts). De uitgang is "waar" als beide ingangen "waar" zijn. Anders is de uitgang "onwaar". In other words, the output is 1 only when both inputs one AND two are 1.

/WhatIs/images/and.gif (220 bytes)

AND gate

Input 1 Input 2 Output
     
  1  
1    
1 1 1

The OR gate gets its name from the fact that it behaves after the fashion of the logical inclusive "or." The output is "true" if either or both of the inputs are "true." If both inputs are "false," then the output is "false." In other words, for the output to be 1, at least input one OR two must be 1.

/WhatIs/images/or.gif (224 bytes)

OR gate

Input 1 Input 2 Output
     
  1 1
1   1
1 1 1

 

The XOR ( exclusive-OR ) gate acts in the same way as the logical "either/or." The output is "true" if either, but not both, of the inputs are "true." The output is "false" if both inputs are "false" or if both inputs are "true." Another way of looking at this circuit is to observe that the output is 1 if the inputs are different, but 0 if the inputs are the same. 

 

XOR gate

Input 1 Input 2 Output
     
  1 1
1   1
1 1  

 

A logical inverter, sometimes called a NOT gate to differentiate it from other types of electronic inverter devices, has only one input. It reverses the logic state. If the input is 1, then the output is 0. If the input is 0, then the output is 1.  

 

/WhatIs/images/not.gif (240 bytes)

 

Inverter or NOT gate

Input Output
1  
  1

 

The NAND gate operates as an AND gate followed by a NOT gate. It acts in the manner of the logical operation "and" followed by negation. The output is "false" if both inputs are "true." Otherwise, the output is "true."

/WhatIs/images/nand.gif (240 bytes)

NAND gate

Input 1 Input 2 Output
    1
  1 1
1   1
1 1  

 

The NOR gate is a combination OR gate followed by an inverter. Its output is "true" if both inputs are "false." Otherwise, the output is "false."

/WhatIs/images/nor.gif (237 bytes)

NOR gate

Input 1 Input 2 Output
    1
  1  
1    
1 1  

 

The XNOR (exclusive-NOR) gate is a combination XOR gate followed by an inverter. Its output is "true" if the inputs are the same, and "false" if the inputs are different.

/WhatIs/images/xnor.gif (278 bytes)

XNOR gate

Input 1 Input 2 Output
    1
  1  
1    
1 1 1

Complexe bewerkingen kunnen worden uitgevoerd met combinaties van deze logische poorten. In theorie is er geen limiet aan het aantal poorten dat in één apparaat kan worden samengevoegd. Maar in de praktijk is er een limiet aan het aantal poorten dat in een gegeven fysieke ruimte kan worden samengepakt. Arrays van logische poorten worden aangetroffen in digitale IC's. Naarmate de IC-technologie voortschrijdt, neemt het vereiste fysieke volume voor elke individuele logische poort af en kunnen digitale apparaten met dezelfde of kleinere afmetingen steeds gecompliceerdere bewerkingen uitvoeren met steeds hogere snelheden.

Samenstelling van logische poorten

Hoge of lage binaire toestanden worden weergegeven door verschillende voltage niveaus. De logische toestand van een aansluitpunt kan, en verandert in het algemeen ook, vaak naarmate de schakeling gegevens verwerkt. In de meeste logische poorten is de lage toestand ongeveer nul volt (0 V), terwijl de hoge toestand ongeveer vijf volt positief is (+5 V).

Logische poorten kunnen worden gemaakt van weerstanden en transistors of diodes. Een weerstand wordt meestal gebruikt als pull-up- of pull-down-weerstand. Pull-up- en pull-down-weerstanden worden gebruikt om ongebruikte ingangen van een logische poort met een logisch niveau 1 of 0 te verbinden. Zo wordt voorkomen dat de poort vals schakelt. Pull-up-weerstanden worden verbonden met Vcc (+5 V), en pull-down-weerstanden met massa (0 V).

Buitengewoon gebruikte logische poorten zijn TTL en CMOS. TTL, of Transistor-Transistor Logic, IC's gebruiken NPN en PNP type Bipolaire Junction Transistors. CMOS, of Complementary Metal-Oxide-Silicon, IC's zijn opgebouwd uit MOSFET of JFET type Field Effect Transistors. TTL IC's worden gewoonlijk aangeduid als de 7400-serie chips, terwijl CMOS IC's vaak worden aangeduid als de 4000-serie chips.