گیت XOR چیست؟ آموزش ساخت XOR با ترانزیستور
محتویات
در دنیای وسیع و گسترده الکترونیک دیجیتال و مدارهای منطقی، گیت XOR یک بلوک ساختاری اساسی به حساب آمده و نقش مهمی در پردازش اطلاعات ایفا میکند. XOR که همان گیت OR انحصاری یا Exclusive OR است، یک عملگر منطقی است. این گیت تنها هنگامی که تعداد ورودی های HIGH یک عدد فرد باشد، خروجی HIGH را به مدار تحویل میدهد و در وضعیتی که تعداد ورودی های LOW مدار زوج است، خروجی LOW را تولید میکند. این ویژگی منحصربه فرد، گیت XOR را به یک قطعه ضروری در کاربردهایی گوناگون تبدیل میکند. دامنه این کاربردها از محاسبات باینری ساده شروع شده و تا الگوریتم های پیچیده رمزگذاری داده ها ادامه دارد.
در این مطلب، ما نحوه عملکرد درونی گیت XOR شامل جدول درستی این گیت، نماد منطقی، مدار اتصال و طریقه ساخت آن را با استفاده از ترانزیستور ها را بررسی میکنیم.
در مقالات پیشین، مدارات الکترونیکی بسیاری ساخته ایم که میتوانند به عنوان گیت های منطقی مختلف مانند گیت های XOR، NAND، NOT، NOR، AND، OR و XNOR عمل کنند.
گیت منطقی XOR چیست؟
گیت XOR با نام Exclusive OR نیز شناخته میشود. یک گیت XOR الکترونیکی قادر به اجرای عملیات XOR منطقی است. این عملگر معمولا شبیه به عملگر OR استاندارد اما با یک تفاوت اصلی و مهم است. در هر دو گیت OR و XOR خروجی زمانی HIGH خواهد بود که یکی از دو ورودی HIGH باشند و زمانیکه هر دو ورودی LOW باشند، خروجی نیز LOW میشود.
هرچند هنگامیکه هر دو ورودی در وضعیت HIGH تنظیم شده اند، مدار OR استاندارد، سیگنال خروجی HIGH را تولید کرده درحالیکه مدار XOR یک سیگنال خروجی LOW را تولید میکند. به دلیل همین رفتار منحصربه فرد است که به این گیت، گیت OR انحصاری یا Exclusive OR میگوییم. در ساده ترین طرح گیت XOR تنها به 5 عدد ترانزیستور نیاز داریم.
نماد گیت XOR
جدول گیت XOR
خروجی | ورودی | |
Y | B | A |
0 | 0 | 0 |
1 اگر در مورد این مطلب سوالی دارید در قسمت نظرات بپرسید | 1 | 0 |
1 | 0 | 1 |
0 | 1 | 1 |
عبارت بولی این گیت به صورت زیر است:
Y = (A ⊕ B)
خروجی
(A ⊕ B) = A.B + A.B
جدول درستی بالا به طور واضح نشان میدهد که خروجی گیت Exclusive OR تنها هنگامی “1” و یا HIGH میشود که دو ترمینال ورودی در سطوح منطقی مختلفی نسبت به هم تنظیم شده باشند. اگر هر دو ورودی A و B در سطح منطقی “1” و یا سطح منطقی “0” تنظیم شده باشند، خروجی “0” و یا LOW خواهد بود.
مدار اتصال گیت XOR
همانگونه که در تصویر بالا مشخص است، گیت XOR از ترکیب سه نوع گیت منطقی مختلف ساخته شده است. این سه نوع گیت، گیت های OR، NAND و AND هستند. اتصال آن ها مطابق تصویر بالا، خروجی مطلوب را دراختیار ما قرار میدهد.
قطعات مورد نیاز برای ساخت گیت XOR
میتوان تنها با استفاده از چند قطعه ساده و دردسترس، مدار گیت XOR را ساخت.
- 5 عدد ترانزیستور NPN 2N2222
- 3 عدد ترانزیستور 10 کیلواهمی
- 3 عدد ترانزیستور 220 اهمی
- 2 عدد کلید فشاری
- 1 عدد بردبورد
- 1 باتری 9 ولتی
- لامپ های LED و سیم های اتصال
مدار گیت XOR با ترانزیستور
مدار زیر، مداراتصال گیت XOR که به کمک 5 ترانزیستور NPN ساخته شده است را نشان میدهد. در اینجا I1 و I2 دو ورودی و O1 خروجی مدار هستند.
تصویر بالا، مدار ساده یک گیت XOR را نشان میدهد. در این طرح 5 ترانزیستور BJT به کار گرفته شدند. در این نوع آرایش، ورودی های A و B هر دو به منبع تغذیه 9 ولتی متصل هستند. رنگ مختلف سیم های اتصال به مشاهده بهتر و تفکیک اتصالات از هم کمک میکنند. در صورت وجود هرگونه ابهام در نحوه قرار گیری سیم ها و اتصالات، همواره میتوانید به این مدار مراجعه کنید. طراحی این گیت شامل یک گیت NAND ساخته شده با دو ترانزیستور سمت چپ، یک کلید (ترانزیستور مرکزی) و یک گیت OR (دو ترانزیستور باقی مانده) است.
پس از بررسی پیکربندی و آرایش نشان داده شده در تصویر بالا، مشخص میشود که جریان تولید شده توسط سمت راست ترین مقاومت به هیچ عنوان نمیتواند به زمین برسد و همین امر موجب خاموش باقی ماندن لامپ LED میشود. دلیل این اتفاق این است که جریان تولید شده توسط اولین مقاومت از سمت چپ به سمت اولین زمین هدایت میشود. در نتیجه کلید، به دلیل ناکافی بودن ولتاژ ورودی بیس ترانزیستور سوم، خاموش باقی میماند.
در شرایطی که یک ورودی فعال است (HIGH است)، جریان میتواند از سمت راست ترین ترانزیستور به دومین زمین برسد. در نتیجه، هنگامیکه هر دو ورودی غیرفعال هستند، خروجی خاموش باقی میماند. زیرا که جریان نمیتواند به بیس ترانزیستور سازنده گیت OR وارد شود. این نوع آرایش و پیکربندی از گردش جریان از سمت راست ترین مقاومت به دومین زمین جلوگیری میکند.
کاربرد ها
لزوم وجود گیت XOR از اعماق رمزنگاری گرفته تا دنیای تشخیص خطا، یک امر ثابت شده است. این گیت میتواند عملیات بیتی، جمع و تفریق باینری یا دودویی را انجام داده و یکپارچگی داده ها را تضمین کند. حتی میتوان به کمک این گیت تولید بیت های توازن یا parity را بررسی کرد. تطبیق پذیری و ظرافت این گیت، نقش آن را در سیستم های دیجیتال بیشماری تثبیت کرده و راه را برای پیشرفت های تکنولوژی که دنیای مدرن ما را شکل میدهند، هموار ساخته است.