Le porte logiche sono uno degli argomenti più importanti nell'elettronica, in particolare nell'elettronica digitale. Il concetto di porte logiche si basa sul concetto di funzioni booleane. Le porte logiche accettano uno o più valori binari come input e restituiscono un valore binario come output dopo aver eseguito il calcolo logico su di essi. Nell'elettronica digitale sono disponibili diversi tipi di GATE, alcuni di essi sono noti come gate di base e altri come gate universali.

UN Porta NAND rientra nella categoria delle porte universali perché la porta NAND può implementare qualsiasi funzione booleana senza l'aiuto di porte di base e anche calcolare i risultati degli ingressi logici senza l'aiuto di qualsiasi altra porta logica.

Tabella dei contenuti

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• Cos'è una porta logica?
• 
  Simbolo di porta AND
• Tabella della verità della porta AND
• Porta NAND in termini di transistor
• Applicazioni della porta NAND
• Vantaggi della porta NAND
• Svantaggi della porta NAND

Cos'è la porta NAND?

Le porte logiche sono piccoli circuiti di commutazione digitale che determinano l'uscita di due o più funzioni booleane immesse in formato binario. 1 logico significa di natura Vero o Alto, mentre 0 logico significa di natura Falso o Basso. In base alle diverse operazioni logiche, l'output differisce. Possono esserci molti ingressi in una porta logica ma ci sarà solo un'uscita. Ogni porta logica ha la propria Tavola della Verità che rappresenta tutte le combinazioni di ingresso e uscita.

La porta NAND, nota anche come porta Not-AND, fa l'esatto opposto o il complemento della porta AND.

Funzionamento del cancello AND

NAND Gate accetta valori booleani come input e restituisce:

• Restituisce 1, se tutti gli input sono 0 o alternativi (ovvero uno è 0 e l'altro è 1 o viceversa).
• Restituisce 0, se tutti gli input sono 1

IL Espressione booleana di NAND Gate è il seguente:

Supponiamo di avere due input, A e B e che l'output si chiami X, quindi l'espressione è:

X = (A.B)’

Tipi di porte NAND

Esistono due tipi di porte NAND, in base al numero di ingressi

• Porta NAND a 2 ingressi
• Porta NAND a 3 ingressi

Porta NAND a 2 ingressi

È la forma più semplice di porta NAND che accetta due input e restituisce l'output. Ce ne sono 2²= 4 combinazioni di ingresso e uscita.

Porta NAND a tre ingressi

Come suggerisce il nome, ha tre ingressi e una sola uscita. Ce ne sono 2³= 8 combinazioni di ingresso e uscita.

Simbolo di porta AND

Di seguito è riportato il simbolo della porta NAND, A e B rappresentano i due ingressi. La porta NAND esegue l'operazione logica NAND sugli ingressi. L'output è rappresentato dalla linea che si estende dalla parte inferiore del simbolo della porta NAND.

IL tavola di verità della porta NAND a due ingressi è la seguente:

Porta NAND

Tabella della verità della porta AND

Nella tabella della verità data, restituisce 1, se tutti gli input sono 0 o alternativi (ovvero uno è 0 e l'altro è 1 o viceversa). altrimenti restituisce 0, se tutti gli input sono 1.

3 Porta NAND di ingresso

Porta NAND in termini di transistor

La porta NAND è uno degli elementi costitutivi principali dei circuiti logici digitali. Il suo funzionamento può essere spiegato anche attraverso il concetto di transistor. I transistor sono un tipo di semiconduttore dispositivo utilizzato principalmente per amplificare o commutare segnali elettronici.

Porta NAND in termini di transistor

Funzionamento del circuito

Qui nello schema sopra ci sono due transistor denominati Q1 e Q2, collegati in una configurazione in serie. Il terminale del collettore di Q1 è collegato con Vcc e anche con il terminale di uscita. L'emettitore di Q1 è collegato al collettore di Q2, che effettua la connessione in una configurazione in serie. L'emettitore di Q2 è collegato alla terra che completa l'intero circuito.

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Prendiamo un caso in cui gli ingressi A e B sono 0. In questo caso, il transistor agirà come un interruttore e terminerà la connessione tra collettore ed emettitore. Quando l'alimentazione a 5 V è attiva, raggiunge il terminale del collettore direttamente del primo transistor. Il terminale del collettore è collegato all'uscita, quindi l'alimentazione a 5 V va direttamente all'uscita. Quindi l'output sarà ALTO.

Applicazioni di NAND Gate

• Porta Universale: La porta NAND è chiamata Porta Universale perché tutte le porte logiche di base possono essere formate utilizzandole.
• Utilizzato per memorizzare i dati: Le porte NAND vengono utilizzate per creare elementi come flip-flop e latch, che è un componente chiave per l'archiviazione dei dati.
• Logica aritmetica: Le porte NAND sono ampiamente utilizzate nelle unità aritmetiche e logiche (ALU) di un dispositivo informatico per eseguire operazioni come addizione, sottrazione, ecc.
• Utilizzato in decodificatore e codificatore: Le porte NAND vengono utilizzate anche nei circuiti Decoder ed Encoder per convertire un codice binario in un insieme di segnali digitali e viceversa.
• Utilizzato in multiplexer e demultiplexer: Le porte NAND vengono utilizzate nei multiplexer per decidere quale percorso deve intraprendere un segnale per raggiungere una singola uscita. Il demultiplexer fa esattamente il contrario.
• Generatori di orologi: Porte NAND utilizzate nei generatori di clock per generare segnali di clock che sincronizzano varie operazioni nel circuito digitale.
• Operazioni logiche: Le porte NAND vengono utilizzate anche per implementare varie operazioni logiche.

Vantaggi della porta NAND

• È una Porta Universale: La porta NAND è una porta universale, quindi può essere utilizzata per costruire qualsiasi porta logica di base senza utilizzare nessun'altra porta. Inoltre, può risolvere problemi logici complessi.
• Semplificare le espressioni logiche: Utilizzando solo la porta NAND, possiamo semplificare qualsiasi circuito logico complesso e rappresentarlo in modo più semplice.
• Componenti bassi necessari: La porta NAND può rappresentare qualsiasi altra porta logica, possiamo utilizzare le porte NAND per risolvere espressioni logiche complesse e, di conseguenza, è richiesto un numero limitato di porte NAND.
• Meno consumo energetico: L'implementazione di funzioni logiche utilizzando una porta NAND consuma molta meno energia rispetto ad altre porte.

Svantaggi della porta NAND

• Mancanza di flessibilità: Sebbene la NAND sia una porta universale, l'implementazione di tutti i circuiti logici utilizzando una porta NAND potrebbe non sempre produrre il risultato più ottimizzato.
• Velocità: In alcuni casi l'utilizzo della porta NAND potrebbe comportare un ritardo di propagazione, tali espressioni logiche potrebbero richiedere la risoluzione di alcune porte dedicate.

Esempio risolto di porta NAND

Implementa il circuito indicato utilizzando la porta NAND.

Abbiamo 4 ingressi denominati A, B, C e D. Qui eseguiremo la funzionalità di NAND Gate utilizzando 2 porte AND e 1 porta OR.

E nella sezione risultante, utilizzeremo 2 porte NAND e 1 porta OR per conoscere la differenza tra la funzionalità di AND e la porta NAND.

Schema elettrico

Soluzione:

Convertire le porte AND e OR in porte NAND e mantenere la stessa espressione booleana.

Implementa il circuito indicato utilizzando la porta NAND

Di conseguenza, otteniamo l'output: A'B' + C'D'

Porta NAND – Domande frequenti

Perché NAND Gate si chiama Universal Gate?

NAND Gate è chiamato Universal Gate perché può essere utilizzato per formare qualsiasi altra porta logica di base come AND OR NOT senza l'aiuto di un'altra porta.

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In che modo una porta NAND è diversa da una porta AND?

Quando invertiamo l'uscita della porta AND otteniamo la porta NAND. Significa che il risultato della porta AND verrà semplicemente invertito in caso di porta NAND. È una forma abbreviata di porta NOT-AND.

Come si ottiene l'operazione logica NOT nella porta NAND?

L'operazione logica NOT viene eseguita sull'uscita della porta AND. La porta NAND è una combinazione di porta AND e NOT, dove due o più ingressi entrano nella porta AND e producono un singolo output che viene poi immesso nella porta NOT che produce il complemento dell'uscita.