Logické součástky

Logické hradlo (anglicky logic gate) počítá nějakou logickou operaci. Můžeme se tedy setkat s hradly typu AND, OR a dalšími. Nejčastěji mají hradla dva vstupy (v nákresu A, B) a jeden výstup (v nákresu out), ale používají se i jiné počty.

Pojmy high, low

Výroková logika pracuje s hodnotami pravda/nepravda, což ve světě elektroniky je vyjádřené pomocí elektrického napětí. Pravda je vyjádřená hodnotou high, nepravda je vyjádřená hodnotou low. Každý propojovací kabel a každý vodič v elektrickém schématu si v každý okamžik můžeme označit jako high nebo jako low.

Různé logické součástky můžou mít tyto hodnoty nastavené trochu jinak, ale u nás bude vždycky platit, že zdroj napětí je high a země je low.

Logické hradlo NAND

Zkratka NAND znamená not-and, čili dává výstup low jedině v případě, že oba vstupy jsou high. Dává výstup high, pokud aspoň jeden vstup je low.

V simulátoru elektrických obvodů si můžeme vyzkoušet obvod, který slouží jako hradlo NAND podle technologie TTL. Na levé straně jsou dva vstupy označené písmeny L.

• Vidíme, že obvod je zapojený tak, aby do každého vstupu ve stavu low tekla trocha elektřiny, a že se to děje (žluté tečky se pohybují ve směru proudu).
• Kliknutím na jeden a druhý vstup je můžeme přepnout do stavu high, což bude vyjádřené písmenem H. Vidíme, že do vstupu ve stavu high už elektřina neteče (naopak, elektřina má tendenci téct směrem z high pryč – ale v tom jí brání dioda, která je v obvodu u každého vstupu).
• Když oba vstupy přepneme do stavu high, trocha elektřiny začne téct přes tranzistor v pravé části obvodu, a ten v tu chvíli propojí svoje dvě zbývající nožičky. V tu chvíli se písmeno H v pravé části obvodu změní na L, což znamená, že hradlo dává výstup low. Dioda napravo (znázorněná jako červené nebo černé kolečko) se v tu chvíli rozsvítí a vidíme, že přes ni teče značný elektrický proud.

V případě technologie TTL LS připojení na zem znamená hodnotu low, zatímco i úplně odpojený kontakt znamená hodnotu high. Výstup hradla lze tedy použít pro rozsvícení diody jenom v případě, že jeho hodnota je low. LED diodu (značka se ukáže po přejetí myší) proto máme připojenou tak, aby přes ni tekl proud do výstupu hradla a tedy na zem.

Když hradlo zakreslíme jeho elektronickou značkou, obvod se tím výrazně zjednoduší. Elektronická značka hradla vyjadřuje nějaké složité zapojení součástek, které uvnitř zajišťují správnou logickou operaci, ale přitom nás podrobně nezajímají. Můžeme si všimnout, že hradlo pro svoji funkci vyžaduje připojení na zdroj napětí a na zem (celkově má tedy pět nožiček), ale ve zjednodušeném obvodu tyto spoje nekreslíme. Obvod je z fyzikálního hlediska v pořádku, jen si napájecí spoje musíme podle potřeby domyslet.

Integrovaný obvod

Na hodinách pracujeme se čtrnáctinohými čipy, které obsahují čtyři logická hradla. Zbývající dvě nohy čipu je potřeba připojit na zdroj napětí, aby hradla fungovala. Kladné napětí se obvykle připojuje na poslední pin, hned vpravo od vykousnutí na čipu (na tomto obrázku vlevo nahoře). Země se připojuje na nohu u protějšího rohu čipu.

V datasheetu 74LS26, integrovaného obvodu se čtyřmi NAND hradly, můžeme na druhé stránce najít obvod v základu podobný tomu, který jsme viděli v elektrickém simulátoru.