Logic Gate

29 April 2020 Off By Sdbamie

6) Logic Gate

A logic gate performs a logical operation on one or more logic inputs and produces a single logic output. The logic normally performed is Boolean logic and is most commonly found in digital circuits. Logic gates are primarily implemented electronically using diodes or transistors, but can also be constructed using electromagnetic relays, fluidics, optical or even mechanical elements. 


Logic levels

A Boolean logical input or output always takes one of two logic levels. These logic levels can go by many names including: on / off, high (H) / low (L), one (1) / zero (0), true (T) / false (F), positive / negative, positive / ground, open circuit / close circuit, potential difference / no difference, yes / no. For consistency, the names 1 and 0 will be used below.


Logic gates

A logic gate takes one or more logic-level inputs and produces a single logic-level output. Because the output is also a logic level, an output of one logic gate can connect to the input of one or more other logic gates. Two outputs cannot be connected together, however, as they may be attempting to produce different logic values. In electronic logic gates, this would cause a short circuit.
In electronic logic, a logic level is represented by a certain voltage (which depends on the type of electronic logic in use). Each logic gate requires power so that it can source and sink currents to achieve the correct output voltage. In logic circuit diagrams the power is not shown, but in a full electronic schematic, power connections are required.



The simplest form of electronic logic is diode logic. This allows AND and OR gates to be built, but not inverters, and so is an incomplete form of logic. To build a complete logic system, valves or transistors can be used. The simplest family of logic gates using bipolar transistors is called resistor-transistor logic, or RTL. Unlike diode logic gates, RTL gates can be cascaded indefinitely to produce more complex logic functions. These gates were used in early integrated circuits. For higher speed, the resistors used in RTL were replaced by diodes, leading to diode-transistor logic, or DTL. It was then discovered that
one transistor could do the job of two diodes in the space of one diode, so transistortransistor logic, or TTL, was created. In some types of chip, to reduce size and power consumption still further, the bipolar transistors were replaced with complementary fieldeffect transistors (MOSFETs), resulting in complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) logic.

For small-scale logic, designers now use prefabricated logic gates from families of devices such as the TTL 7400 series invented by Texas Instruments and the CMOS 4000 series invented by RCA, and their more recent descendants. These devices usually contain transistors with multiple emitters, used to implement the AND function, which are not available as separate components. Increasingly, these fixed-function logic gates are being replaced by programmable logic devices, which allow designers to pack a huge number of mixed logic gates into a single integrated circuit. The field-programmable
nature of programmable logic devices such as FPGAs has removed the ‘hard’ property of hardware; it is now possible to change the logic design of a hardware system by  reprogramming some of its components, thus allowing the features or function of a hardware implementation of a logic system to be changed.

Electronic logic gates differ significantly from their relay-and-switch equivalents. They are much faster, consume much less power, and are much smaller (all by a factor of a million or more in most cases). Also, there is a fundamental structural difference. The switch circuit creates a continuous metallic path for current to flow (in either direction) between its input and its output. The semiconductor logic gate, on the other hand, acts as a high-gain voltage amplifier, which sinks a tiny current at its input and produces a low impedance voltage at its output. It is not possible for current to flow between the output and the input of a semiconductor logic gate.

Another important advantage of standardised semiconductor logic gates, such as the 7400 and 4000 families, is that they are cascadable. This means that the output of one gate can be wired to the inputs of one or several other gates, and so on ad infinitum, enabling the construction of circuits of arbitrary complexity without requiring the designer to understand the internal workings of the gates.

In practice, the output of one gate can only drive a finite number of inputs to other gates, a number called the ‘fanout limit’, but this limit is rarely reached in the newer CMOS logic circuits, as compared to TTL circuits. Also, there is always a delay, called the ‘propagation delay’, from a change in input of a gate to the corresponding change in its output. When gates are cascaded, the total propagation delay is approximately the sum of the individual delays, an effect which can become a problem in high-speed circuits.


Electronic logic levels

The two logic levels in binary logic circuits are represented by two voltage ranges, “low” and “high”. Each technology has its own requirements for the voltages used to represent the two logic levels, to ensure that the output of any device can reliably drive the input of the next device. Usually, two non-overlapping voltage ranges, one for each level, are defined. The difference between the high and low levels ranges from 0.7 volts in Emitter coupled logic to around 28 volts in relay logic.

Logic gates and hardware

NAND and NOR logic gates are the two pillars of logic, in that all other types of Boolean logic gates (i.e., AND, OR, NOT, XOR, XNOR) can be created from a suitable network of just NAND or just NOR gate(s). They can be built from relays or transistors, or any other technology that can create an inverter and a two-input AND or OR gate. Hence the NAND and NOR gates are called the universal gates.
For an input of 2 variables, there are 16 possible boolean algebra outputs. These 16 outputs are enumerated below with the appropriate function or logic gate for the 4 possible combinations of A and B. Note that not all outputs have a corresponding  function or logic gate, although those that do not can be produced by combinations of those that can.

logic level

Logic gates are a vital part of many digital circuits, and as such, every kind is available as an IC. For examples, see the 4000 series of CMOS logic chips or the 700 series.


There are two sets of symbols in common use, both now defined by ANSI/IEEE Std 91- 1984 and its supplement ANSI/IEEE Std 91a-1991. The “distinctive shape” set, based on traditional schematics, is used for simple drawings and is quicker to draw by hand. It is sometimes unofficially described as “military”, reflecting its origin if not its modern usage. The “rectangular shape” set, based on IEC 60617-12, has rectangular outlines for all types of gate, and allows representation of a much wider range of devices than is possible with the traditional symbols. The IEC’s system has been adopted by other standards, such as EN 60617-12:1999 in Europe and BS EN 60617-12:1999 in the United


Storage of bits 

Related to the concept of logic gates (and also built from them) is the idea of storing a bit of information. The gates discussed up to here cannot store a value: when the inputs change, the outputs immediately react. It is possible to make a storage element either through a capacitor (which stores charge due to its physical properties) or by feedback. Connecting the output of a gate to the input causes it to be put through the logic again, and choosing the feedback correctly allows it to be preserved or modified through the use of other inputs. A set of gates arranged in this fashion is known as a “latch”, and more complicated designs that utilise clocks (signals that oscillate with a known period) and change only on the rising edge are called edge-triggered “flip-flops”. The combination of multiple flip-flops in parallel, to store a multiple-bit value, is known as a register. 

These registers or capacitor-based circuits are known as computer memory. They vary in performance, based on factors of speed, complexity, and reliability of storage, and many different types of designs are used based on the application.

Three-state logic gates


A tristate buffer can be thought of as a switch. If B is on, the switch is closed. If B is off, the switch is open.
Main article: Tri-state buffer
Three-state, or 3-state, logic gates have three states of the output: high (H), low (L) and high-impedance (Z). The high-impedance state plays no role in the logic, which remains strictly binary. These devices are used on buses to allow multiple chips to send data. A group of three-states driving a line with a suitable control circuit is basically equivalent to a multiplexer, which may be physically distributed over separate devices or plug-in cards.
‘Tri-state’, a widely-used synonym of ‘three-state’, is a trademark of the National Semiconductor Corporation.


Logic circuits include such devices as multiplexers, registers, arithmetic logic units (ALUs), and computer memory, all the way up through complete microprocessors which can contain more than a 100 million gates. In practice, the gates are made from field effect transistors (FETs), particularly metal-oxide-semiconductor FETs (MOSFETs). In reversible logic, Toffoli gates are used.

History and development 

The earliest logic gates were made mechanically. Charles Babbage, around 1837, devised the Analytical Engine. His logic gates relied on mechanical gearing to perform operations. Electromagnetic relays were later used for logic gates. In 1891, Almon Strowger patented a device containing a logic gate switch circuit (U.S. Patent 0447918). Strowger’s patent was not in widespread use until the 1920s. Starting in 1898, Nikola Tesla filed for patents of devices containing logic gate circuits (see List of Tesla patents). Eventually, vacuum tubes replaced relays for logic operations. Lee De Forest’s modification, in 1907, of the Fleming valve can be used as AND logic gate. Claude E. Shannon introduced the use of Boolean algebra in the analysis and design of switching circuits in 1937. Walther Bothe, inventor of the coincidence circuit, got part of the 1954 Nobel Prize in physics, for the first modern electronic AND gate in 1924. Active research is taking place in molecular logic gates. 

एक लॉजिक गेट एक या एक से अधिक लॉजिक इनपुट्स पर लॉजिकल ऑपरेशन करता है और सिंगल लॉजिक आउटपुट तैयार करता है। सामान्य रूप से किया जाने वाला तर्क बूलियन तर्क है और डिजिटल सर्किट में सबसे अधिक पाया जाता है। लॉजिक गेट्स को मुख्य रूप से डायोड या ट्रांजिस्टर का उपयोग करके इलेक्ट्रॉनिक रूप से लागू किया जाता है, लेकिन इसका निर्माण विद्युत चुम्बकीय रिले, द्रव, ऑप्टिकल या यहां तक ​​कि यांत्रिक तत्वों का उपयोग करके भी किया जा सकता है। 


तर्क स्तर

एक बूलियन तार्किक इनपुट या आउटपुट हमेशा दो तर्क स्तरों में से एक लेता है। ये तर्क स्तर कई नामों से जा सकते हैं जिनमें शामिल हैं: on / off, high (H) / low (L), one (1) / zero (0), true (T) / false (F), धनात्मक / ऋणात्मक, धनात्मक / जमीन, खुला सर्किट / क्लोज सर्किट, संभावित अंतर / कोई अंतर नहीं, हां / नहीं। स्थिरता के लिए, नीचे 1 और 0 नामों का उपयोग किया जाएगा।


तर्क द्वार

एक लॉजिक गेट एक या अधिक लॉजिक-लेवल इनपुट्स लेता है और सिंगल लॉजिक-लेवल आउटपुट तैयार करता है। क्योंकि आउटपुट भी एक तर्क स्तर है, एक लॉजिक गेट का आउटपुट एक या अधिक लॉजिक गेट के इनपुट से जुड़ सकता है। हालांकि, दो आउटपुट को एक साथ नहीं जोड़ा जा सकता है, क्योंकि वे अलग-अलग लॉजिक मान पैदा करने का प्रयास कर सकते हैं। इलेक्ट्रॉनिक लॉजिक गेट्स में, यह शॉर्ट सर्किट का कारण होगा।
इलेक्ट्रॉनिक तर्क में, एक तर्क स्तर को एक निश्चित वोल्टेज द्वारा दर्शाया जाता है (जो उपयोग में इलेक्ट्रॉनिक तर्क के प्रकार पर निर्भर करता है)। प्रत्येक लॉजिक गेट को पावर की आवश्यकता होती है ताकि यह सही आउटपुट वोल्टेज प्राप्त करने के लिए धाराओं को स्रोत और सिंक कर सके। तर्क सर्किट में आरेख शक्ति को नहीं दिखाया गया है, लेकिन एक पूर्ण इलेक्ट्रॉनिक योजनाबद्ध में, बिजली कनेक्शन की आवश्यकता होती है।



इलेक्ट्रॉनिक लॉजिक का सबसे सरल रूप डायोड लॉजिक है। यह AND और OR गेटों का निर्माण करने की अनुमति देता है, लेकिन इनवर्टर नहीं, और इसलिए तर्क का एक अपूर्ण रूप है। एक पूर्ण तर्क प्रणाली के निर्माण के लिए, वाल्व या ट्रांजिस्टर का उपयोग किया जा सकता है। द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर का उपयोग करने वाले तर्क फाटकों का सबसे सरल परिवार को रोकनेवाला-ट्रांजिस्टर तर्क, या आरटीएल कहा जाता है। डायोड लॉजिक गेट्स के विपरीत, आरटीएल गेट्स को अधिक जटिल लॉजिक फ़ंक्शंस का उत्पादन करने के लिए अनिश्चित काल तक कैस्केड किया जा सकता है। इन गेटों का उपयोग प्रारंभिक एकीकृत परिपथों में किया गया था। उच्च गति के लिए, RTL में उपयोग किए जाने वाले प्रतिरोधों को डायोड द्वारा प्रतिस्थापित किया गया, जिससे डायोड-ट्रांजिस्टर लॉजिक या DTL का नेतृत्व किया गया। तब पता चला कि
एक ट्रांजिस्टर एक डायोड के स्थान पर दो डायोड का काम कर सकता है, इसलिए ट्रांजिस्टरट्रांसिस्टर लॉजिक, या टीटीएल बनाया गया था। कुछ प्रकार की चिप में, आकार और बिजली की खपत को अभी भी कम करने के लिए, द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर को पूरक क्षेत्ररक्षक ट्रांजिस्टर (MOSFETs) के साथ बदल दिया गया था, जिसके परिणामस्वरूप पूरक धातु-ऑक्साइड-सेमीकंडक्टर (CMOS) लॉजिक था।

छोटे पैमाने के तर्क के लिए, डिजाइनर अब टेक्सास इंस्ट्रूमेंट्स द्वारा आविष्कार किए गए टीटीएल 7400 श्रृंखला और आरसीए द्वारा आविष्कार किए गए सीएमओएस 4000 श्रृंखला और उनके हाल के वंशजों जैसे उपकरणों के परिवारों से पूर्वनिर्मित लॉजिक गेट्स का उपयोग करते हैं। इन उपकरणों में आमतौर पर कई उत्सर्जक वाले ट्रांजिस्टर होते हैं, जिनका उपयोग AND फ़ंक्शन को लागू करने के लिए किया जाता है, जो अलग-अलग घटकों के रूप में उपलब्ध नहीं हैं। तेजी से, इन फिक्स्ड-फंक्शन लॉजिक गेट्स को प्रोग्रामेबल लॉजिक डिवाइसेस द्वारा प्रतिस्थापित किया जा रहा है, जो डिजाइनरों को एक एकल इंटीग्रेटेड सर्किट में मिश्रित लॉजिक गेट्स की एक बड़ी संख्या को पैक करने की अनुमति देता है। क्षेत्र-प्रोग्राम करने योग्य
प्रोग्रामेबल लॉजिक डिवाइसों की प्रकृति जैसे FPGAs ने हार्डवेयर की ‘हार्ड’ प्रॉपर्टी को हटा दिया है; अब इसके कुछ घटकों को फिर से सक्रिय करके एक हार्डवेयर सिस्टम के तर्क डिजाइन को बदलना संभव है, इस प्रकार एक तर्क प्रणाली के हार्डवेयर कार्यान्वयन की सुविधाओं या फ़ंक्शन को बदलने की अनुमति मिलती है।

इलेक्ट्रॉनिक लॉजिक गेट उनके रिले-एंड-स्विच समकक्षों से काफी भिन्न होते हैं। वे बहुत तेज हैं, बहुत कम बिजली की खपत करते हैं, और बहुत छोटे हैं (सभी मामलों में एक मिलियन या अधिक के कारक से)। इसके अलावा, एक बुनियादी संरचनात्मक अंतर है। स्विच सर्किट अपने इनपुट और इसके आउटपुट के बीच प्रवाह के लिए (या तो दिशा में) प्रवाह के लिए एक सतत धातु मार्ग बनाता है। दूसरी ओर, सेमीकंडक्टर लॉजिक गेट एक उच्च-लाभकारी वोल्टेज एम्पलीफायर के रूप में कार्य करता है, जो अपने इनपुट पर एक छोटे से वर्तमान को डुबोता है और इसके उत्पादन में कम प्रतिबाधा वोल्टेज पैदा करता है। वर्तमान में आउटपुट और सेमीकंडक्टर लॉजिक गेट के इनपुट के बीच प्रवाह करना संभव नहीं है।

मानकीकृत अर्धचालक तर्क फाटकों का एक और महत्वपूर्ण लाभ, जैसे कि 7400 और 4000 परिवार हैं, यह है कि वे कैस्केडेबल हैं। इसका मतलब यह है कि एक गेट के आउटपुट को एक या कई अन्य गेटों के इनपुट के लिए वायर्ड किया जा सकता है, और इसलिए एड इनफिनिटम पर, गेट के आंतरिक कामकाज को समझने के लिए डिजाइनर की आवश्यकता के बिना मनमाना जटिलता के सर्किट के निर्माण को सक्षम करना।

व्यवहार में, एक गेट का आउटपुट केवल अन्य गेट्स को एक सीमित संख्या में इनपुट ड्राइव कर सकता है, एक संख्या जिसे ‘फैनआउट सीमा’ कहा जाता है, लेकिन टीटीएल सर्किट की तुलना में यह सीमा नए सीएमओएस लॉजिक सर्किट में शायद ही कभी पहुंचती है। साथ ही, गेट के इनपुट में परिवर्तन से लेकर इसके आउटपुट में संगत परिवर्तन तक, हमेशा ‘विलंब विलंब’ कहा जाता है। जब फाटकों को कैस्केड किया जाता है, तो कुल प्रसार देरी लगभग व्यक्तिगत देरी का योग है, एक प्रभाव जो उच्च गति सर्किट में एक समस्या बन सकता है।


इलेक्ट्रॉनिक तर्क स्तर

द्विआधारी तर्क सर्किट में दो तर्क स्तर दो वोल्टेज पर्वतमाला, “कम” और “उच्च” द्वारा दर्शाए जाते हैं। प्रत्येक तकनीक की दो लॉजिक स्तरों का प्रतिनिधित्व करने के लिए उपयोग किए जाने वाले वोल्टेज की अपनी आवश्यकताएं हैं, यह सुनिश्चित करने के लिए कि किसी भी डिवाइस का आउटपुट मज़बूती से अगले डिवाइस के इनपुट को ड्राइव कर सकता है। आमतौर पर, दो गैर-अतिव्यापी वोल्टेज पर्वतमाला, प्रत्येक स्तर के लिए एक को परिभाषित किया जाता है। उच्च और निम्न स्तर के बीच का अंतर एमिटर युग्मित तर्क में 0.7 वोल्ट से लेकर रिले तर्क में लगभग 28 वोल्ट तक होता है।

तर्क द्वार और हार्डवेयर

NAND और NOR लॉजिक गेट्स लॉजिक के दो स्तंभ हैं, जिनमें अन्य सभी प्रकार के बूलियन लॉजिक गेट्स (जैसे, AND, NOT, XOR, XNOR) को केवल NAND या NOR गेट (s) के उपयुक्त नेटवर्क से बनाया जा सकता है। )। उन्हें रिले या ट्रांजिस्टर, या किसी अन्य तकनीक से बनाया जा सकता है जो एक इन्वर्टर और दो-इनपुट और या ओआर गेट बना सकता है। इसलिए नंद और NOR द्वारों को सार्वभौमिक द्वार कहा जाता है।
2 चर के इनपुट के लिए, 16 संभावित बूलियन बीजगणित आउटपुट हैं। इन 16 आउटपुट को ए और बी के 4 संभावित संयोजनों के लिए उपयुक्त फ़ंक्शन या लॉजिक गेट के साथ नीचे एन्यूमरेट किया गया है। ध्यान दें कि सभी आउटपुट में एक समान फ़ंक्शन या लॉजिक गेट नहीं होते हैं, हालांकि जो उन लोगों के संयोजन से उत्पन्न नहीं हो सकते हैं। ।

तर्क स्तर

लॉजिक गेट्स कई डिजिटल सर्किट का एक महत्वपूर्ण हिस्सा हैं, और जैसे कि, हर तरह के आईसी के रूप में उपलब्ध है। उदाहरण के लिए, CMOS तर्क चिप्स की 4000 श्रृंखला या 700 श्रृंखला देखें।


आम उपयोग में प्रतीकों के दो सेट हैं, दोनों को अब एएनएसआई / आईईईई एसटीडी 91- 1984 और इसके पूरक एएनएसआई / आईईईई स्टैड 91 ए-1991 द्वारा परिभाषित किया गया है। पारंपरिक स्कीमाटिक्स के आधार पर “विशिष्ट आकार” सेट, सरल चित्र के लिए उपयोग किया जाता है और हाथ से खींचने के लिए तेज है। यह कभी-कभी अनौपचारिक रूप से “सैन्य” के रूप में वर्णित किया जाता है, अगर इसके आधुनिक उपयोग नहीं तो इसके मूल को दर्शाता है। IEC 60617-12 पर आधारित “आयताकार आकार” सेट, सभी प्रकार के गेट के लिए आयताकार रूपरेखा है, और पारंपरिक प्रतीकों के साथ उपकरणों की तुलना में बहुत व्यापक रेंज का प्रतिनिधित्व करने की अनुमति देता है। आईईसी की प्रणाली को अन्य मानकों द्वारा अपनाया गया है, जैसे कि एन 60617-12: 1999 यूरोप में और बीएस एन 60617-12: 1999 यूनाइटेड
किंगडम में।


बिट्स का भंडारण 

लॉजिक गेट्स की अवधारणा से संबंधित (और उनसे निर्मित भी) थोड़ी जानकारी संग्रहीत करने का विचार है। यहां जिन गेट्स की चर्चा की गई है, वे एक मूल्य को स्टोर नहीं कर सकते हैं: जब इनपुट बदलते हैं, तो आउटपुट तुरंत प्रतिक्रिया करते हैं। एक संधारित्र के माध्यम से भंडारण तत्व बनाना संभव है (जो अपने भौतिक गुणों के कारण चार्ज करता है) या प्रतिक्रिया द्वारा। एक गेट के आउटपुट को इनपुट से कनेक्ट करने के कारण इसे फिर से तर्क के माध्यम से रखा जाता है, और प्रतिक्रिया को सही ढंग से चुनने से इसे अन्य इनपुट के उपयोग के माध्यम से संरक्षित या संशोधित करने की अनुमति मिलती है। इस तरह से व्यवस्थित किए गए फाटकों का एक सेट “कुंडी” के रूप में जाना जाता है, और अधिक जटिल डिजाइन जो घड़ियों का उपयोग करते हैं (संकेत जो एक ज्ञात अवधि के साथ दोलन करते हैं) और केवल बढ़ते किनारे पर परिवर्तन को किनारे-ट्रिगर “फ्लिप-फ्लॉप” कहा जाता है। समानांतर में कई फ्लिप-फ्लॉप का संयोजन, 

इन रजिस्टरों या कैपेसिटर-आधारित सर्किट को कंप्यूटर मेमोरी के रूप में जाना जाता है। वे गति, जटिलता और भंडारण की विश्वसनीयता के आधार पर प्रदर्शन में भिन्न होते हैं, और अनुप्रयोग के आधार पर कई अलग-अलग प्रकार के डिज़ाइन का उपयोग किया जाता है।


तीन-राज्य तर्क द्वार

त्रि राज्य

एक ट्रिस्टेट बफर को एक स्विच के रूप में सोचा जा सकता है। यदि बी चालू है, तो स्विच बंद है। यदि बी बंद है, तो स्विच खुला है।
मुख्य लेख: त्रि-राज्य बफर
तीन-राज्य, या 3-राज्य, तर्क गेट्स के आउटपुट के तीन राज्य हैं: उच्च (एच), कम (एल) और उच्च-प्रतिबाधा (जेड)। उच्च-प्रतिबाधा राज्य तर्क में कोई भूमिका नहीं निभाता है, जो कड़ाई से द्विआधारी रहता है। इन उपकरणों का उपयोग बसों पर कई चिप्स को डेटा भेजने के लिए किया जाता है। एक उपयुक्त नियंत्रण सर्किट के साथ एक लाइन ड्राइविंग करने वाले तीन-राज्यों का एक समूह मूल रूप से एक मल्टीप्लेक्सर के बराबर है, जिसे अलग-अलग उपकरणों या प्लग-इन कार्डों पर भौतिक रूप से वितरित किया जा सकता है।
State त्रि-राज्य ’, state तीन-राज्य’ का व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला पर्यायवाची, राष्ट्रीय अर्धचालक निगम का एक ट्रेडमार्क है।


लॉजिक सर्किट में मल्टीप्लेक्सर्स, रजिस्टर्स, एरिथमैटिक लॉजिक यूनिट्स (ALUs) और कंप्यूटर मेमोरी जैसे सभी माइक्रोप्रोसेसरों के माध्यम से सभी तरह के डिवाइस शामिल होते हैं, जिनमें 100 मिलियन से अधिक द्वार हो सकते हैं। व्यवहार में, गेट्स फील्ड इफेक्ट ट्रांजिस्टर (FETs), विशेष रूप से धातु-ऑक्साइड-सेमीकंडक्टर FETs (MOSFETs) से बनाए जाते हैं। प्रतिवर्ती तर्क में, टोफोली द्वार का उपयोग किया जाता है।

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