В цифровой логике инвертор или вентиль НЕ — это логический вентиль , который реализует логическое отрицание . Он выводит бит , противоположный биту, который в него вставлен. Биты обычно реализуются как два различных уровня напряжения .
Вентиль НЕ выдает ноль, когда ему дана единица, и единицу, когда ему дана ноль. Таким образом, он инвертирует свои входы. В разговорной речи эта инверсия битов называется «переворачиванием» битов. [1] Как и во всех двоичных логических вентилях, другие пары символов — такие как истина и ложь, или высокий и низкий — могут использоваться вместо единицы и нуля.
Он эквивалентен логическому оператору отрицания (¬) в математической логике . Поскольку он имеет только один вход, это унарная операция и имеет простейший тип таблицы истинности . Его также называют вентилем дополнения [2], поскольку он производит дополнение двоичного числа до единиц , меняя местами нули и единицы.
Вентиль НЕ является одним из трех основных логических вентилей, из которых может быть построена любая булева схема . Вместе с вентилем И и вентилем ИЛИ может быть реализована любая функция в двоичной математике. Все остальные логические вентили могут быть созданы из этих трех. [3]
Термины «программируемый инвертор» или «управляемый инвертор» не относятся к этому вентилю; вместо этого эти термины относятся к вентилю XOR , поскольку он может условно функционировать как вентиль NOT. [1] [3]
Традиционным символом для инверторной схемы является треугольник, касающийся маленького круга или «пузыря». Входные и выходные линии присоединены к символу; пузырь, как правило, присоединен к выходной линии. Чтобы обозначить вход с активным низким уровнем , иногда пузырь помещают на входную линию. [4] Иногда используется только круглая часть символа, и она присоединена к входу или выходу другого вентиля; символы для NAND и NOR формируются таким образом. [3]
Черта или надчеркивание ( ‾ ) над переменной может обозначать отрицание (или инверсию, или дополнение), выполняемое логическим элементом НЕ. [4] Также используется косая черта (/) перед переменной. [3]
Схема инвертора выводит напряжение, представляющее противоположный логический уровень ее входу. Ее основная функция — инвертировать приложенный входной сигнал. Если приложенный вход низкий, то выход становится высоким и наоборот. Инверторы могут быть построены с использованием одного транзистора NMOS или одного транзистора PMOS , соединенного с резистором . Поскольку этот подход «резистивного стока» использует только один тип транзистора, его можно изготовить с низкой стоимостью. Однако, поскольку ток протекает через резистор в одном из двух состояний, конфигурация резистивного стока невыгодна для энергопотребления и скорости обработки. В качестве альтернативы инверторы могут быть построены с использованием двух комплементарных транзисторов в конфигурации CMOS . Эта конфигурация значительно снижает энергопотребление, поскольку один из транзисторов всегда выключен в обоих логических состояниях. [5] Скорость обработки также может быть улучшена из-за относительно низкого сопротивления по сравнению с устройствами типа только NMOS или только PMOS. Инверторы также могут быть построены на биполярных транзисторах (БПТ) в конфигурации резисторно-транзисторной логики (РТЛ) или транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ).
Цифровые электронные схемы работают на фиксированных уровнях напряжения, соответствующих логическому 0 или 1 (см. двоичный код ). Инверторная схема служит в качестве базового логического вентиля для переключения между этими двумя уровнями напряжения. Реализация определяет фактическое напряжение, но общие уровни включают (0, +5 В) для схем ТТЛ.
Инвертор — это базовый строительный блок в цифровой электронике. Мультиплексоры, декодеры, конечные автоматы и другие сложные цифровые устройства могут использовать инверторы.
Шестнадцатеричный инвертор представляет собой интегральную схему , содержащую шесть ( гекса- ) инверторов. Например, чип 7404 TTL имеет 14 контактов, а чип 4049 CMOS имеет 16 контактов, 2 из которых используются для питания/реферирования, а 12 из которых используются входами и выходами шести инверторов (4049 имеет 2 контакта без подключения).
аналитическое представление логического элемента НЕ:
Если нет специальных вентилей НЕ, их можно создать из универсальных вентилей НЕ-И или ИЛИ-НЕ [6] или вентиля XOR , установив один из входов на высокий уровень.
Качество цифрового инвертора часто измеряется с помощью кривой передачи напряжения (VTC), которая представляет собой график выходного и входного напряжения. Из такого графика можно получить параметры устройства, включая устойчивость к шуму, усиление и уровни операционной логики.
В идеале VTC выглядит как инвертированная ступенчатая функция — это будет означать точное переключение между включенным и выключенным состояниями — но в реальных устройствах существует область постепенного перехода. VTC указывает, что при низком входном напряжении схема выдает высокое напряжение; при высоком входном напряжении выход сужается к низкому уровню. Наклон этой переходной области является мерой качества — крутые (близкие к вертикальным) наклоны обеспечивают точное переключение.
Устойчивость к шуму можно измерить, сравнив минимальный входной сигнал с максимальным выходным сигналом для каждой области работы (вкл./выкл.).
Поскольку область перехода крутая и приблизительно линейная, правильно смещенный цифровой логический вентиль КМОП-инвертора может использоваться в качестве аналогового линейного усилителя с высоким коэффициентом усиления [7] [8] [9] [10] [11] или даже объединяться для формирования операционного усилителя . [12] Максимальное усиление достигается, когда входные и выходные рабочие точки имеют одинаковое напряжение, которое можно сместить, подключив резистор между выходом и входом. [13]
