В цифровой логике инвертор или вентиль НЕ представляет собой логический вентиль , который реализует логическое отрицание . Он выводит бит , противоположный тому биту, который в него вложен. Биты обычно реализуются как два разных уровня напряжения .
Вентиль НЕ выдает ноль, если задана единица, и единицу, если задан ноль. Следовательно, он инвертирует свои входы. В просторечии такая инверсия битов называется «переворачиванием» битов. [1] Как и во всех двоичных логических элементах, вместо единицы и нуля могут использоваться другие пары символов — например, «истина» и «ложь» или «высокий» и «низкий».
Он эквивалентен оператору логического отрицания (¬) в математической логике . Поскольку у нее только один вход, это унарная операция и таблица истинности простейшего типа . Его также называют вентилем дополнения [2] , поскольку он производит дополнение двоичного числа до единиц, меняя местами 0 и 1.
Вентиль НЕ является одним из трех основных логических вентилей, из которых может быть построена любая булева схема . Вместе с вентилями И и ИЛИ можно реализовать любую функцию бинарной математики. Все остальные логические элементы могут быть составлены 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 условно может функционировать как вентиль NOT. [1] [3]
Традиционным символом инверторной схемы является треугольник, касающийся маленького круга или «пузыря». К символу прикрепляются входные и выходные линии; пузырь обычно прикрепляется к выходной линии. Чтобы обозначить входной сигнал с активным низким уровнем , иногда вместо этого на строке ввода помещается пузырь. [4] Иногда используется только круглая часть символа, и она присоединяется к входу или выходу других ворот; таким образом формируются символы NAND и NOR . [3]
Черта или черта ( ‾ ) над переменной может обозначать отрицание (или инверсию или дополнение), выполняемое логическим элементом НЕ. [4] Также используется косая черта (/) перед переменной. [3]
Схема инвертора выдает напряжение, представляющее логический уровень, противоположный его входу. Его основная функция — инвертировать подаваемый входной сигнал. Если приложенный входной сигнал низкий, то выходной сигнал становится высоким, и наоборот. Инверторы могут быть сконструированы с использованием одного NMOS- транзистора или одного PMOS -транзистора, соединенного с резистором . Поскольку в этом подходе с «резистивным стоком» используется только один тип транзистора, его можно изготовить с низкой стоимостью. Однако, поскольку ток протекает через резистор в одном из двух состояний, конфигурация с резистивным стоком имеет недостатки с точки зрения энергопотребления и скорости обработки. Альтернативно, инверторы могут быть построены с использованием двух комплементарных транзисторов в КМОП- конфигурации. Такая конфигурация значительно снижает энергопотребление, поскольку в обоих логических состояниях один из транзисторов всегда выключен. [5] Скорость обработки также может быть улучшена благодаря относительно низкому сопротивлению по сравнению с устройствами типа NMOS или PMOS. Инверторы также могут быть сконструированы с использованием транзисторов с биполярным переходом (BJT) либо в конфигурации резистор-транзисторной логики (RTL), либо в конфигурации транзистор-транзисторной логики (TTL).
Схемы цифровой электроники работают при фиксированных уровнях напряжения, соответствующих логическому 0 или 1 (см. двоичный код ). Схема инвертора служит основным логическим элементом для переключения между этими двумя уровнями напряжения. Реализация определяет фактическое напряжение, но общие уровни включают (0, +5 В) для схем TTL.
Инвертор является основным строительным блоком цифровой электроники. Мультиплексоры, декодеры, конечные автоматы и другие сложные цифровые устройства могут использовать инверторы.
Шестнадцатеричный инвертор представляет собой интегральную схему , содержащую шесть ( шестнадцатеричных ) инверторов. Например, чип 7404 TTL , имеющий 14 контактов, и чип CMOS 4049 , имеющий 16 контактов, 2 из которых используются для питания/задания, а 12 из них используются для входов и выходов шести инверторов (у 4049 есть 2 контакта без подключения).
является аналитическим представлением вентиля НЕ:
Если конкретных вентилей НЕ нет, их можно создать из универсальных вентилей И- НЕ или ИЛИ -НЕ [6] или вентиля Исключающее ИЛИ , установив один из входов на высокий уровень.
Качество цифрового инвертора часто измеряется с помощью кривой передачи напряжения (VTC), которая представляет собой график зависимости выходного напряжения от входного напряжения. Из такого графика можно получить параметры устройства, включая устойчивость к шуму, коэффициент усиления и уровни рабочей логики.
В идеале VTC выглядит как инвертированная ступенчатая функция – это указывает на точное переключение между включением и выключением – но в реальных устройствах существует область постепенного перехода. VTC указывает, что при низком входном напряжении схема выдает высокое напряжение; для высокого входного сигнала выходной сигнал сужается к низкому уровню. Наклон этой переходной области является мерой качества: крутые (близкие к вертикальным) наклоны обеспечивают точное переключение.
Устойчивость к шуму можно измерить путем сравнения минимального входного сигнала с максимальным выходным для каждой области работы (вкл./выкл.).
Поскольку область перехода крутая и приблизительно линейная, цифровой логический элемент КМОП-инвертора с правильным смещением можно использовать в качестве аналогового линейного усилителя с высоким коэффициентом усиления [7] [8] [9] [10] [11] или даже комбинировать для формирования операционный усилитель . [12] Максимальный коэффициент усиления достигается, когда рабочие точки входа и выхода имеют одинаковое напряжение, которое можно сместить, подключив резистор между выходом и входом. [13]
