Цифровое оборудование

Построение логических элементов

Подобным образом можно строить и более сложные логические элементы. Если соединить четыре транзистора способом, изображенным на рисунке, получится логический элемент «И-НЕ».

Когда на обоих входах этой схемы будет присутствовать напряжение логической единицы, два верхних транзистора будут закрыты, но откроются оба нижних транзистора, и на выходе схемы появится напряжение логического нуля. Если на каком-либо из входов напряжение будет отсутствовать, т.е. окажется логический ноль, будет открыт один из верхних транзисторов, но закрыт один из нижних. В этом случае на выходе будет логическая единица. Если логический ноль будет присутствовать на обоих входах, будут открыты оба верхних транзистора и закрыты оба нижних. На выходе в этом случае также будет логическая единица. Таким образом, на выходе схемы будет логический ноль только тогда, когда на обоих входах будет присутствовать логическая единица.

Похожая схема реализует логическую функцию «ИЛИ-НЕ».

Если в этой схеме хотя бы на одном из входов будет присутствовать напряжение логической единицы, будет открыт один из нижних транзисторов, но какой-то из верхних будет закрыт, и на выходе будет логический ноль. И только тогда, когда ни на одном из входов не будет логической единицы, на выходе будет единица.

На самом деле, логические функции этих схем не имеют ничего общего с их электрической природой. Если вернуться к аналогии с водопроводными вентилями, то можно легко себе представить, как можно построить из них логический элемент. Возможность выполнения логических функций вытекает из свойств параллельного и последовательного соединения вентилей. Два последовательно соединенных вентиля открыты тогда, когда открыты оба вентиля. Два параллельно соединенных вентиля открыты тогда, когда открыт хотя бы один из них. Именно это является основой реализации логических функций, вне всякой зависимости от того, что именно эти вентили перекрывают. В  случае с транзисторами, используются вентили, перекрывающие электрический ток. Но если использовать вентили, перекрывающие воду, или например поток воздуха, логика работы схемы никак не изменится. Только работать такая схема будет в тысячи раз медленнее чем электрическая.

Кстати, эта мысленная аналогия имеет под собой вполне реальную основу. В 60-е годы 20-го века, совершенно серьезно разрабатывались логические схемы, и даже компьютеры, построенные исключительно на пневматических вентилях. В отличие от электроники, такие схемы могут работать в условиях, в которых электроника работать не может. Например, в условиях сильного радиоактивного излучения или в химически агрессивной среде.