Logic Gates எவ்வாறு Logic Levels மூலம் செயல்படுகின்றன? – ஆரம்பநிலை பயிற்சியாளர்களுக்கான வழிகாட்டி

Logic Gates எவ்வாறு Logic Levels மூலம் செயல்படுகின்றன? – ஆரம்பநிலை பயிற்சியாளர்களுக்கான வழிகாட்டி

அறிமுகம்

Logic Gates (லாஜிக் கேட்கள்) பற்றி நாம் விவாதித்துக் கொண்டிருந்தபோது, அடுத்த முக்கியமான தலைப்பாக நாம் பார்க்கப்போகும் விஷயம் ‘லாஜிக் லெவல்கள்’ (Logic Levels ) என்று நான் ராஜு மற்றும் கோபுவிடம் கூறினேன்.
அப்போது ராஜு மற்றும் கோபு இருவரும், தங்களது கல்வி நிறுவனத்தில் நடத்தப்படும் பாடங்களில் Logic Levels என்ற தலைப்பு சற்று கடினமாகவும், முழுமையாகப் புரிந்து கொள்ள சிரமமாகவும் இருப்பதாக தெரிவித்தனர். எனவே, இந்த பயிற்சியின் மூலம் அந்த கருத்தை தெளிவாகப் புரிந்து கொள்ள அவர்கள் மிகவும் ஆர்வமாக இருந்தனர்.

அதற்கு நான், இன்றைய பயிற்சி மிகவும் எளிமையாகவும் விளக்கமாகவும் இருக்கும் என்றும், மின்னணுவியல் துறையில் ஆரம்பநிலையில் இருப்பவர்கள்கூட இந்த தலைப்பை எளிதாகப் புரிந்து கொள்ளும் வகையில் விளக்கப்படும் என்றும் உறுதியளித்தேன். அதன்படி, Logic Levels என்ற கருத்தை மிகவும் எளிமையான முறையில் விளக்கத் தொடங்கினேன்.

டிஜிட்டல் எலக்ட்ரானிக்ஸ் (Digital Electronics) உலகில் Logic Levels பற்றிய முழுமையான கருத்தை தெளிவுபடுத்தும் முக்கியமான விஷயங்களை தவறவிடாமல் தெரிந்து கொள்ள, இந்த விவாதத்தை ஆரம்பம் முதல் இறுதி வரை கவனமாகப் படியுங்கள்.

டிஜிட்டல் சிஸ்டம்களைப் புரிந்து கொள்வதில் Logic Levels எவ்வளவு முக்கியமானவை என்பதை நீங்கள் அறிந்து கொள்வீர்கள். ஏனெனில் இது Digital Techniques-ன் அடிப்படை அம்சமாகும். எனவே, இந்த தலைப்பில் அதிக கவனம் செலுத்தி, உங்கள் கல்வி நிறுவனத்தில் வகுப்பறையில் கற்றுக் கொண்ட விஷயங்களை மேலும் தெளிவாகப் புரிந்து கொள்ளுங்கள்.

ராஜு மற்றும் கோபு இருவரும் இதற்கு நேர்மறையாக பதிலளித்து, இந்த தலைப்பின் நுணுக்கங்களை கற்றுக் கொள்ள ஆர்வம் காட்டினர்.

டிஜிட்டல் எலக்ட்ரானிக்ஸில் இரண்டு முக்கிய அடிப்படை கருத்துக்கள் உள்ளன.
அவை:
லாஜிக் லெவல்கள் (Logic Levels)
லாஜிக் கேட்டுகள் (Logic Gates)

முதலில் Logic Levels பற்றி ஆராய்வோம். அதன் பிறகு Logic Gates பற்றி விரிவாகப் பார்ப்போம்.

Logic Levels என்றால் என்ன?

Logic Levels என்ற கருத்தை கீழே கொடுக்கப்பட்டுள்ள விளக்கத்தின் மூலம் எளிதாகப் புரிந்து கொள்ளலாம்.

ஒரு மின்சுற்றில் (Electrical Circuit) ஒரு மெக்கானிக்கல் ஸ்விட்ச் (Mechanical Switch) மூலம் இணைக்கப்பட்டுள்ள ஒரு மின்விளக்கை எடுத்துக் கொள்வோம்.
நீங்கள் அந்த ஸ்விட்சை ON செய்தால், விளக்கு எரியும். அதே ஸ்விட்சை OFF செய்தால், விளக்கு அணைந்து விடும்.

இதுதான் மின்சாரத்தின் அடிப்படை நிலை:
மின்சாரம் ON அல்லது OFF என்ற இரண்டு நிலைகளில் மட்டுமே இருக்கும்.
இந்த எளிய விதியே, அதாவது இந்த Binary Reality, டிஜிட்டல் எலக்ட்ரானிக்ஸின் அடிப்படையாக உள்ளது.

Binary Logic மற்றும் Logic Levels

கணினிகள் (Computers) Binary Logic அடிப்படையில் செயல்படுகின்றன.
ஏனெனில் கணினிகளுக்கு 50, 100 அல்லது 1000 போன்ற எண்களின் இயல்பான அர்த்தம் தெரியாது. அவை இரண்டு நிலைகளை மட்டுமே புரிந்து கொள்கின்றன.
அவை:
லாஜிக் ஹை -Logic High
லாஜிக் லோ – Logic Low
அதன் Binary மதிப்புகள்:
1 = High
0 = Low
இதன் பொருள்:
High என்பது மின்சாரம் ON நிலையில் இருப்பதைக் குறிக்கிறது.
Low என்பது மின்சாரம் OFF நிலையில் இருப்பதைக் குறிக்கிறது.
அதாவது:
1 = High = ON
0 = Low = OFF
இதை எளிதாகப் புரிந்து கொள்ள கீழே அட்டவணையாகக் கொடுக்கப்பட்டுள்ளதைப் பாருங்கள்.

Binary Logic Level பைனரி லாஜிக் லெவல்	Binary Value பைனரி மதிப்பு	Status நிலைமை	Truth உண்மைத் தன்மை	Signal voltage  சிக்னல் வோல்டேஜ்
ஹை (HIGH)	1	ஆன் (ON)	மெய் (True)	+5V
லோ (Low)	0	ஆஃப் (OFF)	பொய் (False)	0V

எனவே,
Logic Level என்பது ஒரு Binary Value-ஐ குறிக்கும் Voltage (Electrical Signal) ஆகும்.

Switch மற்றும் Transistor – Digital Switching

ஒரு ஸ்விட்ச் என்பது ஒரு Bit Data-வை குறிக்கும் அடிப்படை உறுப்பாகும்.
ஸ்விட்சின் ON/OFF தன்மை, Binary Data-வை சரியாக பிரதிபலிக்கிறது.
ஆனால் மெக்கானிக்கல் ஸ்விட்ச் மிகவும் மெதுவாக செயல்படக்கூடியது. அதை உடனடியாக மாற்ற முடியாது. இதற்கு மாற்றாக Transistor பயன்படுத்தப்படுகிறது.
Transistor மிகவும் வேகமாகவும் உடனடியாகவும் செயல்படக்கூடியது.

இது இரண்டு தனித்த நிலைகளில் செயல்பட முடியும்:
Conductive State (மின்சாரம் செல்லும் நிலை)
Cut-off State (மின்சாரம் செல்லாத நிலை)
இந்த உடனடி மாற்றும் தன்மையே Digital Electronics Circuit-களில் Electronic Switch ஆக செயல்படுகிறது.

Bit என்பது Voltage Level மட்டுமே

ஒரு Bit என்பது உண்மையில் ஒரு Voltage Level ஆகும்.
அதாவது:
Binary 0 = 0 Volts
Binary 1 = +5 Volts
இந்த வகையான Voltage Level அமைப்பு:
Positive Logic System என்று அழைக்கப்படுகிறது.

இதற்கு எதிர்மாறான அமைப்பு:
Binary 0 = +5V
Binary 1 = 0V
என்பது:
Negative Logic System என்று அழைக்கப்படுகிறது.

Positive Logic System, TTL (Transistor-Transistor Logic) Circuit-களில் பயன்படுத்தப்படுகிறது. இங்கு Switching Element ஆனது Voltage Level-ஐ மட்டுமே கட்டுப்படுத்துகிறது.

Logic Levels பற்றிய முக்கிய முடிவுகள்

மேலே விவாதித்தவற்றிலிருந்து:
Binary States = 0 மற்றும் 1
0 = Low
1 = High
என்பது தெளிவாகிறது.
எனவே Logic Levels என்பது Logic Gates-ன் அடிப்படை ஆகும்.
இந்த Logic Levels தான் Digital Devices ஒன்றுடன் ஒன்று தொடர்பு கொள்ள பயன்படுத்தும் அடிப்படை மொழியாகும்.

Logic Levels-ஐ புரிந்து கொள்வது

Digital Electronics-ல் நாம் தெரிந்து கொள்ள வேண்டிய இரண்டு முக்கிய Logic Families உள்ளன.
அவை:
TTL System (5 Volt System)
CMOS System (3.3 Volt System)
Logic Levels என்பது Binary States என்றும், Voltage Range மூலம் அவை குறிப்பிடப்படுகின்றன என்றும் நாம் ஏற்கனவே பார்த்தோம்.

அதாவது:
High 1 = ON State = அதிக Voltage
Low 0 = OFF State = கிட்டத்தட்ட 0 Voltage
ஒவ்வொரு Logic Family-க்கும் தனித்த Threshold Voltage இருக்கும்.
இந்த Threshold Voltage-கள் வெவ்வேறு Device Families-ஐ வேறுபடுத்த உதவுகின்றன.
இதனால் Signal Transmission நேரத்தில் ஏற்படும் பிழைகள் குறைக்கப்படுகின்றன.

Voltage Range ஏன் பயன்படுத்தப்படுகிறது?

உண்மையான Digital Electronics Circuit-களில் High மற்றும் Low நிலைகளை குறிப்பிடும்போது சரியான 5V மற்றும் 0V போன்ற Absolute Values பயன்படுத்தப்படுவதில்லை.
அதற்கு பதிலாக Voltage Range பயன்படுத்தப்படுகிறது.
இதன் காரணம்:
நிஜ உலகில் Electrical Signals எப்போதும் முழுமையானதாக இருப்பதில்லை.
அவை கீழ்கண்ட காரணிகளால் பாதிக்கப்படலாம்:
இரைச்சல் (Noise)
வெப்பம் மாற்றங்கள் (Temperature Changes)
பாகங்களின் வித்தியாசங்கள் (Component Differences)
இந்த சிறிய மாற்றங்களையும் கருத்தில் கொண்டு Voltage Range பயன்படுத்தப்படுகிறது. இதனால் சிறிய இடையூறுகள் இருந்தாலும் Circuit சரியாக செயல்படும்.

லாஜிக் லெவல்	வோல்டேஜ் ரேஞ்
1 (ஹை)	+2V முதல் +5V வரை
0 (லோ)	0V  முதல் 0.8 V வரை

TTL System

 

TTL என்பது Transistor-Transistor-Logic ஆகும்

TTL System பொதுவாக 5V Range-ல் செயல்படுகிறது.
TTL-ல் High மற்றும் Low Voltage Threshold நிலைகளைப் புரிந்து கொள்ள கொடுக்கப்பட்டுள்ள படத்தைப் பார்க்கவும்.

CMOS System

CMOS System குறைந்த Voltage-ல் செயல்படுகிறது.
பொதுவாக:
3.3V அல்லது அதற்கும் குறைவான Voltage
பயன்படுத்தப்படுகிறது.
CMOS System-ல் High மற்றும் Low Voltage Threshold நிலைகளைப் புரிந்து கொள்ள கொடுக்கப்பட்டுள்ள படத்தைப் பார்க்கவும்.

TTL மற்றும் CMOS Logic Families ஒப்பீடு

இரண்டு Logic Level Families பற்றிய முக்கிய தகவல்கள் கீழே அட்டவணையில் கொடுக்கப்பட்டுள்ளன.

Logic Family	High Voltage	Low Voltage	speed	Power Consumption
TTL	2.0V – 5.0V	0.0v – 0.8v	Medium	High
CMOS	2.31v-3.3v	0.0v – 0.99v	Medium	Low

இந்த இரண்டு முக்கிய Logic Families பற்றிய தெளிவான அறிவு, எதிர்காலத்தில் Logic Gates எவ்வாறு செயல்படுகின்றன என்பதைப் புரிந்து கொள்ள மிகவும் உதவும்.
இப்போது ராஜு மற்றும் கோபுவுக்கும் இந்த தலைப்பைப் பற்றிய சரியான அறிவு கிடைத்துவிட்டது என்ற நம்பிக்கை ஏற்பட்டது.

Forbidden Region

மிகவும் முக்கியமான ஒரு விஷயம்:
சுமார் 0.8V முதல் 2V வரை உள்ள Voltage Range ஒரு இடைவெளிப் பகுதியாக உள்ளது.
இந்த இரண்டு Logic Zones-க்கு இடையில் உள்ள பகுதி:
Forbidden Region என்று அழைக்கப்படுகிறது.
ஒரு Signal இந்த Voltage Region-ல் விழுந்தால், அதன் நிலை கணிக்க முடியாததாக மாறும். இதனால் Digital Circuit-ன் செயல்பாட்டில்:
தவறான Output
எதிர்பாராத செயல்பாடு
போன்ற பிரச்சினைகள் ஏற்படலாம்.
இது Digital Design-ல் உள்ள ஒரு குறையாகும்.

Logic Gates உடன் Logic Levels எவ்வாறு செயல்படுகின்றன?

இதுவரை Logic Levels என்றால் என்ன என்பதையும், அவை எவ்வாறு வெவ்வேறு Voltage Range-களில் செயல்படுகின்றன என்பதையும் விரிவாகப் பார்த்தோம்.
உண்மையில் இந்த Voltage Signals தான் Logic Gates-ன் Input Signals ஆக செயல்படுகின்றன.
இந்த Signals:
Binary 0
Binary 1
என்ற Logic Levels அடிப்படையில் Logic Gate-களுக்குள் உள்ள Transistor-களை ON அல்லது OFF செய்கின்றன.
இதனால்:
Current Flow ஏற்படுகிறது.
Output High அல்லது Low ஆக கிடைக்கிறது.
எனவே Digital Electronics-ல் Logic Gates என்றால் என்ன, அவற்றின் வகைகள் என்ன, அவற்றின் செயல்பாடுகள் என்ன என்பதை அறிந்து கொள்வது அவசியமாகிறது.

Logic Gates

Logic Gate என்பது முடிவுகளை எடுக்கும் ஒரு சிறிய Electronic Circuit ஆகும்.
ஒரு Gate முடிவு எடுக்க, அதற்கு Input Signals தேவை.
அவை Logic Levels ஆகும்.
Logic Gates ஒன்று அல்லது அதற்கு மேற்பட்ட Inputs-ஐ பெறுகின்றன.
அவை:
0
1
ஆக இருக்கலாம்.
அந்த Gate-ன் தன்மைக்கு ஏற்ப ஒரு Output கிடைக்கும்.
அந்த Output:
0
1
ஆக இருக்கும்.
Logic Gates அனைத்தும் Boolean Logic என்ற விதிகளைப் பின்பற்றுகின்றன.

Logic Gates உருவாக்கப் பயன்படும் எலிமெ ண்டுகள்

Logic Gates உருவாக்கப் பயன்படும் முக்கிய எலிமெ ண்டுகள்:

Transistors
Diodes
Resistors
ஆகும்.
Transistor ஒரு Switch போல செயல்படுகிறது.
அதாவது:
OFF = 0
ON = 1
OFF நிலையில் Current Flow இருக்காது.
ON நிலையில் Current Flow ஏற்பட்டு Transistor செயல்படும்.

Modern Digital Electronics மற்றும் CMOS

நவீன Digital Electronics-ல் CMOS Circuits பயன்படுத்தப்படுகின்றன.
இதில் இரண்டு வகையான Transistors பயன்படுத்தப்படுகின்றன:
NMOS
PMOS
இவை:
மிகக் குறைந்த Power Consumption
அதிக செயல்திறன் (High Efficiency)
கொண்டவை.

Digital Systems-ல் உள்ள 7 Logic Gates

Digital Systems-ல் Input Logic Levels அடிப்படையில் முடிவுகளை எடுக்கும் 7 வகையான Logic Gates உள்ளன.
அவை மூன்று வகைகளாகப் பிரிக்கப்படுகின்றன.
1. Basic Gates
AND Gate
OR Gate
NOT Gate
2. Universal Gates
NAND Gate
NOR Gate
3. Comparison Gates
XOR Gate
XNOR Gate
ஒவ்வொரு Logic Gate-ன் Symbol-களும் மேலே கொடுக்கப்பட்டுள்ள படத்தில் காட்டப்பட்டுள்ளன.

சுருக்கமாக Logic Gates வகைப்பாடு

வகை
Logic Gates
Basic Gates
AND, OR & NOT
Universal Gates
NAND & NOR
Comparison Gates
XOR & XNOR

எதிர்கால Tutorial-களில் ஒவ்வொரு Logic Gate பற்றியும் விரிவாகப் படிக்கப் போகிறோம்.

முடிவுரை

Digital Electronics உலகத்தை முழுமையாகப் புரிந்து கொள்ளவும், அதன் மர்மங்களைத் தெளிவுபடுத்தவும் முதலில் Logic Levels பற்றிய ஆழமான அறிவு மிகவும் அவசியம்.

அதன் பிறகுதான் Logic Gates பற்றிய புரிதல் வருகிறது.
Logic Gates உடன் Logic Levels எவ்வாறு செயல்பட வேண்டும் என்பதை கட்டுப்படுத்தும் விதிகளின் தொகுப்பே Boolean Logic ஆகும்.
Digital Electronics-ன் அடிப்படை அம்சமான Logic Levels பற்றிய கருத்துகள், விளக்கப்படங்களுடன் விரிவாக விவாதிக்கப்பட்டுள்ளன.

இந்த விளக்கம் Logic Levels பற்றிய உண்மைகள் மற்றும் நுணுக்கங்களைப் புரிந்து கொள்ள உதவும் என்றும், அடுத்தடுத்த Tutorial-களில் Logic Gates பற்றி விவாதிக்க முன்னேறுவதற்கு இது ஒரு நல்ல அடித்தளமாக இருக்கும் என்றும் நம்புகிறேன்.