Una porta logica è un dispositivo che funge da elemento costitutivo per i circuiti digitali. Eseguono funzioni logiche di base fondamentali per i circuiti digitali. La maggior parte dei dispositivi elettronici che utilizziamo oggi avrà una qualche forma di porte logiche al loro interno. Ad esempio, le porte logiche possono essere utilizzate in tecnologie come smartphone, tablet o all'interno di dispositivi di memoria.
In un circuito, le porte logiche prenderanno decisioni basate su una combinazione di segnali digitali provenienti dai suoi ingressi. La maggior parte delle porte logiche ha due ingressi e un'uscita. Le porte logiche sono basate sull'algebra booleana. In un dato momento, ogni terminale si trova in una delle due condizioni binarie, falsa o vera. False rappresenta 0 e true rappresenta 1. A seconda del tipo di porta logica utilizzata e della combinazione di ingressi, l'uscita binaria sarà diversa. Una porta logica può essere pensata come un interruttore della luce, in cui in una posizione l'uscita è spenta - 0, e in un'altra è accesa - 1. Le porte logiche sono comunemente utilizzate nei circuiti integrati (IC).
Porte logiche di base
Esistono sette porte logiche di base: AND, OR, XOR, NOT, NAND, NOR e XNOR.
E | OR | XOR | NON | NAND | NÉ | XNOR
La porta AND è chiamata così perché, se 0 è chiamato "falso" e 1 è chiamato "vero", la porta si comporta allo stesso modo dell'operatore logico "e". L'illustrazione e la tabella seguenti mostrano il simbolo del circuito e le combinazioni logiche per una porta AND. (Nel simbolo, i terminali di ingresso sono a sinistra e il terminale di uscita è a destra.) L'uscita è "vera" quando entrambi gli ingressi sono "veri". In caso contrario, l'output è "falso". In altre parole, l'uscita è 1 solo quando entrambi gli ingressi uno AND due sono 1.
E cancello
| Immettere 1 | Immettere 2 | produzione |
| 1 | ||
| 1 | ||
| 1 | 1 | 1 |
La porta OR prende il nome dal fatto che si comporta alla maniera della logica inclusiva "o". L'output è "true" se uno o entrambi gli input sono "true". Se entrambi gli input sono "falsi", l'output è "falso". In altre parole, affinché l'uscita sia 1, almeno l'ingresso uno OR due deve essere 1.
O cancello
| Immettere 1 | Immettere 2 | produzione |
| 1 | 1 | |
| 1 | 1 | |
| 1 | 1 | 1 |
Il gate XOR (OR esclusivo) agisce allo stesso modo del logico "o / o". L'output è "vero" se uno degli input, ma non entrambi, è "vero". L'output è "false" se entrambi gli input sono "false" o se entrambi gli input sono "true". Un altro modo di vedere questo circuito è osservare che l'uscita è 1 se gli ingressi sono diversi, ma 0 se gli ingressi sono gli stessi.
Cancello XOR
| Immettere 1 | Immettere 2 | produzione |
| 1 | 1 | |
| 1 | 1 | |
| 1 | 1 |
Un inverter logico, a volte chiamato porta NOT per differenziarlo da altri tipi di dispositivi inverter elettronici, ha un solo ingresso. Inverte lo stato logico. Se l'ingresso è 1, l'uscita è 0. Se l'ingresso è 0, l'uscita è 1.
Cancello Inverter o NON
| Ingresso | produzione |
| 1 | |
| 1 |
La porta NAND funziona come una porta AND seguita da una porta NOT. Agisce nel modo dell'operazione logica "e" seguita dalla negazione. L'output è "falso" se entrambi gli input sono "veri". In caso contrario, l'output è "vero".
Porta NAND
| Immettere 1 | Immettere 2 | produzione |
| 1 | ||
| 1 | 1 | |
| 1 | 1 | |
| 1 | 1 |
La porta NOR è una porta OR combinata seguita da un inverter. Il suo output è "vero" se entrambi gli input sono "falsi". In caso contrario, l'output è "falso".
NÉ cancello
| Immettere 1 | Immettere 2 | produzione |
| 1 | ||
| 1 | ||
| 1 | ||
| 1 | 1 |
Il gate XNOR (exclusive-NOR) è un gate XOR combinato seguito da un inverter. Il suo output è "true" se gli input sono gli stessi e "false" se gli input sono diversi.
Cancello XNOR
| Immettere 1 | Immettere 2 | produzione |
| 1 | ||
| 1 | ||
| 1 | ||
| 1 | 1 | 1 |
È possibile eseguire operazioni complesse utilizzando combinazioni di queste porte logiche. In teoria, non vi è alcun limite al numero di porte che possono essere disposte insieme in un singolo dispositivo. Ma in pratica, c'è un limite al numero di porte che possono essere imballate in un dato spazio fisico. Le matrici di porte logiche si trovano nei circuiti integrati digitali. Con l'avanzare della tecnologia IC, il volume fisico richiesto per ogni singola porta logica diminuisce e dispositivi digitali di dimensioni uguali o inferiori diventano in grado di eseguire operazioni sempre più complicate a velocità sempre maggiori.
Composizione delle porte logiche
Le condizioni binarie alte o basse sono rappresentate da diversi livelli di tensione. Lo stato logico di un terminale può, e generalmente cambia, spesso quando il circuito elabora i dati. Nella maggior parte delle porte logiche, lo stato basso è di circa zero volt (0 V), mentre lo stato alto è positivo di circa cinque volt (+5 V).
Le porte logiche possono essere costituite da resistori e transistor o diodi. Un resistore può essere comunemente usato come resistore di pull-up o pull-down. Le resistenze di pull-up e pull-down vengono utilizzate quando sono presenti ingressi di gate logici inutilizzati da collegare a un livello logico 1 o 0. Ciò impedisce qualsiasi falsa commutazione del gate. Le resistenze di pull-up sono collegate a Vcc (+ 5V) e le resistenze di pull-down sono collegate a terra (0 V).
Le porte logiche comunemente utilizzate sono TTL e CMOS. I circuiti integrati TTL o transistor-transistor utilizzeranno transistor a giunzione bipolare di tipo NPN e PNP. I circuiti integrati CMOS, o ossido di metallo complementare, sono realizzati con transistor a effetto di campo di tipo MOSFET o JFET. I circuiti integrati TTL possono essere comunemente etichettati come la serie di chip 7400, mentre i circuiti integrati CMOS possono essere spesso contrassegnati come una serie di chip 4000.