Loogikavärav

Erinevad tehnoloogiad

Kõige lihtsam elektrooniline loogikavärav on võimalik ehitada kasutades dioode ja takisteid. Nii on võimalik luua AND- ja OR-väravaid, aga mitte pöördväravaid (NAND või NOR), seega ei saa niimoodi luua kõiki Boole'i algebra operatsioone. Lisaks on veel dioodloogika miinuseks tema "hägune" tulemus, ehk 0 pole päris 0 ja 1 pole päris 1. Seetõttu ei saa luua keerulisemaid skeeme, kus järgnevad mitmed diood-loogikaväravad üksteise järel ilma mingisugust signaali võimendavat seadet kasutamata.
Takisti-transistor-väravatega kadus dioodväravate suur miinus. Nüüd oli võimalik luua nii pikki skeeme, kui oli vaja, kasutamata eraldi signaali võimendeid. Kombineerides erinevaid takisti-transistor-väravaid saab läbi viia kõiki Boole’i algebra operatsioone. Peatselt leiti, et üks transistor suudab töö kiiremini valmis saada kui kaks dioodi. Sündis transistor-transistor loogikaskeem, mis oli oma eelkäijatest kiirem ja võttis märgatavalt vähem ruumi, tehes loogikaskeemid väiksemaks ja efektiivsemaks. Tänapäeval on praktiliselt täielikult tavalise bipolaartransistori asendanud väljatransistorid (FET), täpsemalt isoleeritud paisuga väljatransistorid (metall-oksiid-pooljuht väljatransistor, inglise keeles MOSFET), mida kasutatakse komplementaarete paaridena (CMOS).

Tänapäev

Väikesemõõduliste loogikaskeemide jaoks kasutavad disainerid tänapäeval eeltoodetud standardseid loogikaväravaid. Üha enam on hakatud kasutama programmeeritavaid loogikaseadmeid, mis võimaldavad kiibil suurt elementide pakkimistihedust. Programmeeritavad loogikaseadmed nagu FPGA lubavad muuta komponentide programmeerimise teel kiipide funktsioone.
Elektroonilistes loogikaskeemides töötavad transistorid lülitirežiimis, kus nende ümberlülitamiseks kulub väga vähe voolu.

Loogikaseadmed

Loogikaväravatest koostatakse sellised seadmed nagu multipleksorid, registrid, aritmeetika-loogikaplokid (ALU), arvutimälud, kuni keeruliste mikroprotsessoriteni välja, mis võivad sisaldada mitusada miljonit loogikaväravat (NAND koosneb neljast transistorist).

Charles Sanders Peirce

Charles Sanders Peirce (1880) näitas, et NAND-väravaid (alternatiiviks NOR-värav) kombineerides on võimalik teostada ka kõik muud loogilised väravad, aga tema sellekohast tööd ei avaldatud enne aastat 1935. Aastal 1913 avaldas Henry M. Sheffer esimese tõendi selle kohta.
Veel kaks väravat on "välistav või" ehk XOR-funktsioon ja tema pöördfunktsioon "välistav NOR" ehk XNOR. Kahe sisendiga XOR on tõene ainult siis, kui sisendväärtused on erinevad, ja väär, kui nad on võrdsed, sõltumata väärtustest. Rohkem kui kahe sisendi puhul on väljundiks tõene, kui sisendis on tõeseid väärtusi paarisarv. Praktikas tehakse selliseid väravaid lihtsamatest loogikaväravatest.

De Morgani teoreem

De Morgani teoreemi järgi saab AND-värava muuta OR-väravaks, kui pöörata ümber sisendi ja väljundi väärtused. Seetõttu on loodud eraldi rühm sümboleid, kus sisendid ja tuuma sümbol on pööratud. Need sümbolid võivad teha loogikaskeemide joonised palju selgemaks.
NAND-väravat saab näidata OR-sümboli abil, lisades väikesed ringid sisenditele, ja NOR-väravat saab näidata AND-värava sümboliga, lisades ringid sisenditesse. See väike ring tähendab loogilist inversiooni ehk NOT-funktsiooni. De Morgani seaduse ekvivalentsuse abiga saab vahetada kõik väravad, kus ringid on mõlemas otsas, ümber teiste, ringideta väravate vastu, muutes diagrammid kergemini loetavaks (kui nt NAND on joonistatud OR-väravana, millel sisendis on mullid, ja -värav AND-väravana, millel on samuti sisendis mullid, siis mullid välistavad üksteist).
Kõiki loogikafunktsioonid saab realiseerida NAND-väravatega (samuti ka NOR-väravatega). De Morgani teoreemi kasutatakse, kui soovitakse loogiline skeem ümber teha ainult NAND- või NOR-väravatel põhinevaks. Seda tehakse eelkõige seepärast, et loogilisi väravaid on väga lihtne osta hulgi (ostes ühte tüüpi väravaid on hind odavam ja kogustega on raskem eksida) ja paljud elektroonikapoed müüvad ainult NAND- ja NOR-väravaid.

Loogikavärav kui mälu

Loogikaväravaid ehk loogikalülisid on võimalik kasutada mäluna andmete salvestamiseks. Selleks peab need ühendama omavahel tagasisideahela abil trigeriks. Triger võimaldab säilitada informatsiooni 1 biti mahus. Mitu ühise juhtimisega trigerit koos moodustavad registri, mis võimaldab säilitada mitmebitilist andmesõna. Elektrilisel tagasisidel põhineva mäluga seadet nimetatakse järjendloogikaseadmeks, sest selle väljund on mõjutatav seadme eelmis(t)e seisundi(te) ehk olekute poolt.
Elektrilisel tagasisidel põhinevaid loogilisi ahelaid tuntakse ka arvuti mäluseadmetena (näiteks register, SRAM, protsessori vahemälu), mille jõudlus (kiirus, keerukus, usaldusväärsus andmete talletamisel) varieerub sõltuvalt rakendusest.

Kolme olekuga loogilised väravad

Kolme olekuga loogikaväravatel on kolm erinevat väljundi olekut: kõrge (H), madal (L) ja kõrge-takistus (Z). Kõrge-takistus-olek ei määra loogikas rolli, aga see on kasutusel protsessori andmesiinides, lubamaks mitmel kiibil saata andmeid. Grupp kolme olekuga loogikaväravatest, mis juhivad liini sobiva kontrollskeemiga, on põhimõtteliselt multipleksor.
Elektroonikas tähendab väljundi kõrge olek, et väljund saab elektrivoolu positiivsest poolusest, ja väljundi madal olek vastavalt siis, kui väljund saab elektrivoolu negatiivsest poolusest (maandus). Kõrge takistusega olek tähendab, et väljund on lahti ühendatud vooluringist.

Muu

Kasutades ainult NAND- või NOR-väravaid, saab luua ka kõik teised väravad. Algselt oli NAND-värava ehitamine NOR-väravast lihtsam ja seetõttu võetigi laialdaselt kasutusele just NAND, kuigi ka NOR-väravaid kasutatakse tänapäeval üpriski palju. Kuigi teoorias puudub piir, kui palju väravaid saab üksteise järele seadmes istutada, siis praktikas jääb piiravaks seadmes olev ruum, kuhu need väravad paigaldada.
Aastal 1898 esitas Nikola Tesla patendid oma seadmetele, mis sisaldasid loogilisi väravaid. Hiljem vahetasid vaakumtorud releed loogilistes operatsioonides välja.