Sinyal Biner dan Gerbang Logika: Dasar-dasar Elektronika Digital

Meskipun numerasi biner adalah konstruksi matematika yang menarik, kekuatan sebenarnya muncul saat diterapkan pada elektronika. Bab ini menunjukkan bagaimana bit biner diterjemahkan ke perilaku sirkuit dunia nyata.

Signifikansi numerasi biner terletak pada kesederhanaannya: sebuah bit hanya dapat mengambil dua nilai, 0 atau 1. Medium fisik apa pun yang dapat beralih antara dua keadaan saturated dapat mewakili sebuah bit. Jadi, sistem apa pun yang dapat menyimpan bit biner juga dapat mengkodekan dan memanipulasi nilai numerik—tutur kuncinya komputasi digital.

Biner dan Sirkuit Elektronik

Operasi Transistor Biner

Transistor, saat di-bias pada batasnya, beroperasi dalam salah satu dari dua keadaan diskrit: cut-off (tidak ada arus terkontrol) atau saturation (arus terkontrol maksimum). Sirkuit yang dirancaksa untuk memaksa transistor ke salah satu ekstrim—menghindari wilayah linear atau active—berfungsi sebagai embodi fisik dari sebuah bit biner.

Level Tegangan sebagai Nilai Bit

Sirkuit berbasis transistor dapat mengeluarkan tegangan yang mewakili satu bit: tegangan rendah menandakan biner "0", sementara tegangan relatif tinggi mewakili biner "1". Pertimbangkan konfigurasi berikut:

 

Dalam pengaturan ini, transistor disaturate oleh input 5-V yang diterapkan melalui switch dua posisi. Transistor yang disaturate menurunkan tegangan yang dapat diabaikan dari kolektor ke emitor, menghasilkan output yang hampir 0 V. Menginterpretasikan ini, input adalah biner "1" dan output adalah biner "0". Setiap tegangan yang dekat dengan supply rail (relatif terhadap ground) diperlakukan sebagai "1", sedangkan kehadiran tegangan diperlakukan sebagai "0". Level ini umumnya disebut tinggi (untuk "1") dan rendah (untuk "0"). Representasi kolektif dari sebuah bit melalui tegangan sirkuit disebut logic level.

Membalik Switch

Memindahkan switch ke posisi alternatif menerapkan biner "0" pada input, menghasilkan biner "1" pada output:

 

 

Apa Itu Gerbang Logika?

Dengan menggunakan satu transistor, kita menciptakan gerbang logika dasar, penguat khusus yang menerima dan menghasilkan tegangan logic level yang sesuai dengan biner 1 dan 0. Gerbang tidak dimaksudkan untuk menguatkan sinyal analog; alih-alih, beberapa gerbang digabungkan untuk menyimpan bit (memori) atau melakukan perhitungan (komputasi). Bab-bab berikutnya akan menjelajahi penggunaan ini secara mendalam; untuk saat ini, fokus pada perilaku gerbang individu.

Inverter atau Gerbang NOT

Sirkuit di atas berfungsi sebagai inverter (atau gerbang NOT) karena mengeluarkan komplement logis dari inputnya. Untuk kejelasan, sirkuit gerbang biasanya digambarkan dengan simbol khusus daripada dengan konstituen transistor dan resistor mereka. Simbol standar untuk inverter ditunjukkan di bawah ini:

 

Representasi alternatif juga umum:

 

 

Perhatikan bentuk segitiga, yang mirip dengan operational amplifier. Gelembung kecil di terminal input atau output menunjukkan inversi. Menghapus gelembung menghasilkan simbol buffer, yang menunjukkan amplifikasi non-inverting.

Dalam skematika digital, koneksi supply sering dihilangkan untuk ke singkatan. Namun, representasi lengkap dari gerbang NOT termasuk supply rails, seperti diilustrasikan di bawah ini:

 

Untuk menyederhanakan skematika, garis supply sering dihilangkan, hanya menyisakan koneksi input dan output yang penting:

 

Di sini, Vcc menunjukkan tegangan supply DC positif—biasanya 5 V—yang terhubung ke kolektor transistor. Semua titik yang dilabeli Vcc berbagi koneksi ini.

Bagian selanjutnya akan memperkenalkan gerbang logika tambahan dengan banyak input. Output setiap gerbang bergantung pada keadaan input dan fungsinya logis.

Mengekspresikan Fungsi Gerbang dengan Tabel Kebenaran

Tabel kebenaran adalah alat standar untuk mengilustrasikan perilaku gerbang. Mereka mencantumkan setiap kombinasi yang mungkin dari level logika input (tinggi/rendah atau 1/0) bersama dengan output yang dihasilkan. Untuk gerbang NOT tunggal input, tabel kebenarannya sederhana:

 

Gerbang yang lebih kompleks memiliki tabel yang lebih besar. Jumlah baris gerbang sama dengan 2 dipangkatkan dengan jumlah inputnya: 2 baris untuk satu input, 4 baris untuk dua input, 8 baris untuk tiga input, dan seterusnya.

REVIEW:

• Dalam sirkuit digital, bit biner (0 dan 1) direpresentasikan oleh level tegangan relatif terhadap ground: tanpa tegangan sama dengan "0", dan tegangan supply penuh sama dengan "1".
• Sebuah gerbang logika adalah penguat khusus yang input dan output tegangan logic level. Skematika biasanya menggunakan simbol unik daripada jaringan transistor-resistor.
• Garis supply umumnya dihilangkan dalam skematika untuk kesederhanaan, mencerminkan praktik dengan operational amplifier.
• Tabel kebenaran secara sistematis menangkap hubungan input-output dari gerbang, mencantumkan semua kombinasi level logika yang mungkin.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Sinyal Logika Digital
• Lembar Kerja Gerbang Logika Dasar
• Lembar Kerja Aljabar Boolean