Transistörler, mantık kapıları ve Boole cebiri
MOS transistörden CMOS kapılara, doğruluk tablosundan SOP ifadeye, minterm/maxterm ve Boole cebiriyle sadeleştirmeye. Devre okuma ve sadeleştirme soruları buradan.
Bilgisayarın en alt katı transistördür. Transistörlerden kapılar, kapılardan devreler kurulur. Bu sayfada en alt iki seviyeyi (devices ve logic circuits) görüyorsun. Vizede bu kısımdan gelen soru tipleri belli: bir devre şemasını oku ve doğruluk tablosunu çıkar, tablodan ifade yaz, ifadeyi Boole cebiriyle sadeleştir, DeMorgan ile tersini al, sadece NAND ile yaz.
MOS transistör
MOS transistör bir elektrik anahtarıdır. Üç ucu var: gate (kapı), source ve drain. Gate’e uygulanan voltaj, diğer iki uç arasında akım geçip geçmeyeceğine karar verir.
| Tip | Gate = 1 (yüksek voltaj) | Gate = 0 |
|---|---|---|
| n-type | iletir (kapalı anahtar) | iletmez (açık devre) |
| p-type | iletmez | iletir |
CMOS (complementary MOS) devrelerde her kapıda iki tür birlikte kullanılır. p-tipleri çıkışı +V’ye (mantıksal 1) bağlar, n-tipleri GND’ye (mantıksal 0). Doğru tasarlanmış bir CMOS kapıda her girişte bu iki yoldan tam olarak biri açıktır.
CMOS NOT, NAND, NOR
NOT (inverter): bir p, bir n. Giriş 0 → p iletir → çıkış 1. Giriş 1 → n iletir → çıkış 0.
NAND: p-tipleri paralel (+V ile çıkış arası), n-tipleri seri (çıkış ile GND arası). Çıkışın 0 olması için seri yolun tamamı iletmeli, yani A = B = 1. Diğer her durumda paralel p’lerden biri çıkışı 1’e çeker.
NOR: tam tersi. p-tipleri seri, n-tipleri paralel. Çıkış ancak A = B = 0 iken 1.
AND ve OR kapıları CMOS’ta doğrudan kurulmaz. AND = NAND + NOT, OR = NOR + NOT. Bu yüzden devrelerde en “ucuz” kapılar NAND ve NOR’dur.
İPUCU · Seri = AND, paralel = OR. Seri bağlı anahtarlarda akımın geçmesi için hepsi kapalı olmalı (AND). Paralelde biri yeter (OR). NAND’ın n-tipleri seri olduğu için “A AND B ise GND’ye bağlan” der.
Mantık kapıları
| A | B | AND | OR | NAND | NOR | XOR | XNOR |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 |
Şemalarda: düz arkalı D şekli AND, kavisli arkalı sivri uçlu şekil OR, ucunda küçük daire (bubble) olan her şey o kapının tersi (NAND, NOR), daire ile biten üçgen NOT. XOR, OR şeklinin arkasında ikinci bir kavis taşır.
Gösterim: (ya da ) = NOT A, yan yana = AND, = OR, = XOR. İşlem önceliği: NOT > AND > OR.
Doğruluk tablosu → ifade
Minterm ve SOP
girişli bir fonksiyonun tablosu satırdır. Satırlar 0’dan ‘e kadar numaralanır (ABC = 101 → satır 5).
Minterm, tek bir satırda 1 olan AND terimidir. Kural: bit 1 ise harfin kendisi, bit 0 ise tersi. .
Fonksiyonun kanonik SOP (sum of products) biçimi: F = 1 olan her satırın minterm’ini yaz, hepsini OR’la. Kısa yazımı .
A B C | F
0 0 0 | 1 ← m0 = A'B'C'
0 0 1 | 1 ← m1 = A'B'C
0 1 0 | 0
0 1 1 | 0
1 0 0 | 0
1 0 1 | 1 ← m5 = AB'C
1 1 0 | 0
1 1 1 | 0
F = Σm(0,1,5) = A'B'C' + A'B'C + AB'C
Bu ifade doğrudan devreye dönüşür: her terim için bir AND kapısı, sonunda tek OR kapısı. Bu şu demek: her doğruluk tablosu AND, OR ve NOT ile kurulabilir. Bu özelliğe logical completeness denir.
Maxterm ve ΠM
Maxterm, tek bir satırda 0 olan OR terimidir. Kural minterm’in tersi: bit 0 → harfin kendisi, bit 1 → tersi. .
Yukarıdaki örnekte ve .
TUZAK · minterm ve maxterm harf kuralını karıştırmak. m5 = 101 → (1 ise düz). M5 = 101 → (1 ise ters). Ters işlem, ters kural.
Boole cebiri
| Kural | OR biçimi | AND biçimi |
|---|---|---|
| Identity | ||
| Null | ||
| Idempotent | ||
| Complement | ||
| Involution | ||
| Distributive | ||
| Absorption | ||
| Combining | ||
| DeMorgan | ||
| Consensus |
Bir de çok kullanılan: .
Sadeleştirme tarifi
- Sadece tek değişkende farklı iki minterm bul.
- Ortak çarpanı dışarı al: .
- , kalan .
- Bir terimi iki eşleşmede kullanman gerekirse önce kopyala ().
- Sonucu tabloyla kontrol et: her terim hangi satırları kapsıyor?
Çözümlü örnek: yukarıdaki .
F = A'B'C' + A'B'C + AB'C
= A'B'C' + A'B'C + A'B'C + AB'C idempotent: A'B'C kopyalandı
= A'B'(C' + C) + B'C(A' + A) distributive
= A'B'·1 + B'C·1 complement
= A'B' + B'C identity
kontrol: A'B' → 000, 001 (m0, m1) · B'C → 001, 101 (m1, m5) ✓
DeMorgan ile tersini almak
ise:
F' = (A'B' + B'C)'
= (A'B')' · (B'C)' DeMorgan (toplamın tersi)
= (A + B) · (B + C') DeMorgan (çarpımın tersi), involution
= AB + AC' + BB + BC' distributive
= AB + AC' + B + BC' idempotent BB = B
= B + AC' absorption: B + AB = B, B + BC' = B
Kontrol: = 1 olan satırlar: B = 1 (2, 3, 6, 7) ve AC’ (4, 6). Birleşim {2, 3, 4, 6, 7}. F’nin {0, 1, 5} kümesiyle birleşince {0..7}, ortak eleman yok.
Devre okuma
Sınavda şema verilir, şunu istenir: her kapıyı tanı, ara çıkışlara isim ver, tabloyu doldur, ifadeyi yaz, sadeleştir, “hangi işlem?” sorusunu cevapla.
Örnek: Gate 1 NOR (girişler A, B), çıkışı X. Gate 2 AND (girişler B, C), çıkışı Y. Gate 3 OR (girişler X, Y), çıkışı F.
A B C | X=(A+B)' | Y=BC | F=X+Y
0 0 0 | 1 | 0 | 1
0 0 1 | 1 | 0 | 1
0 1 0 | 0 | 0 | 0
0 1 1 | 0 | 1 | 1
1 0 0 | 0 | 0 | 0
1 0 1 | 0 | 0 | 0
1 1 0 | 0 | 0 | 0
1 1 1 | 0 | 1 | 1
F = (A+B)' + BC = A'B' + BC = Σm(0, 1, 3, 7)
Kalıpları tanı: XOR, XNOR, 2-to-1 mux, majority.
Sadece NAND (ya da NOR) ile
NAND tek başına tamdır (logically complete): AND, OR ve NOT’un hepsi NAND ile yazılır.
| İstenen | NAND ile |
|---|---|
| NAND(A, A) | |
| NAND(NAND(A,B), NAND(A,B)) | |
| NAND(NAND(A,A), NAND(B,B)) | |
| NAND(NAND(A,B), NAND(C,D)) |
Tarif: SOP ifadeyi yaz, iki kere tersle, içteki DeMorgan’ı uygula.
Sonuç: AND-OR devresindeki her kapıyı NAND yap, devre aynı kalır. NOR için aynı fikir POS (product of sums) ifadeyle çalışır.
Sık yapılan hatalar
| Yanlış düşünce | Doğrusu |
|---|---|
| n-tipi gate = 0’da iletir | n-tipi gate = 1’de, p-tipi gate = 0’da |
| NAND’da n-tipleri paralel | NAND’da n seri, p paralel |
| m5 = | m5 = 101 = |
| ΠM listesi = Σm listesi | ΠM, F = 0 olan satırlar |
| ; | |
| Bir terimi iki kez kullanamam | , kopyalayabilirsin |
Kendini test et
Sınavdaki gibi İngilizce sorular. Önce kâğıt kalemle çöz, sonra cevabı aç.
When does an n-type MOS transistor conduct? When does a p-type conduct?
Cevabı göster
n-tipi transistörün gate'ine 1 (yüksek voltaj) gelince kanal oluşur ve iletir, kapalı anahtar gibi davranır. p-tipi tam tersi: gate 0 iken iletir. CMOS'ta p-tipleri çıkışı +V'ye (1), n-tipleri GND'ye (0) bağlar.
In a 2-input CMOS NAND gate, how are the p-type and n-type transistors connected?
Cevabı göster
NAND'ın çıkışı ancak iki giriş de 1 iken 0 olmalı. Bu yüzden GND'ye giden yol seri iki n-tipiyle kurulur: ikisi de iletmeli. Herhangi bir giriş 0 ise paralel p-tiplerinden biri çıkışı +V'ye bağlar. NOR'da tam tersi: p-tipleri seri, n-tipleri paralel.
How many rows does the truth table of a 4-input Boolean function have?
Cevabı göster
Her giriş 0 ya da 1. giriş için kombinasyon: satır.
F(A,B,C) = Σm(1, 4, 7). Write the canonical sum-of-products expression.
Cevabı göster
Her minterm'in numarasını ikiliğe çevir, bit 1 ise harfin kendisi, 0 ise tersi: m1 = 001 → A'B'C, m4 = 100 → AB'C', m7 = 111 → ABC. Hepsini OR'la.
Simplify F = AB + AB' + A'B using Boolean algebra.
Cevabı göster
AB + AB' = A(B + B') = A·1 = A (distributive, complement, identity). F = A + A'B.
A + A'B = (A + A')(A + B) = A + B (distributive). Tabloyla kontrol: sadece 00 satırında 0, yani OR.
F(A,B,C) = Σm(1, 3, 5, 6). Simplify F to a sum of products with 3 terms.
Cevabı göster
Çiftleri eşle: m1 (001) ile m3 (011) sadece B'de farklı → A'C. m1 (001) ile m5 (101) sadece A'da farklı → B'C (m1'i iki kere kullanmak serbest, X = X + X). m6 (110) hiçbir komşusu 1 olmadığı için tek kalır: ABC'.
F = A'C + B'C + ABC'. Daha az terimle yazılamaz (kaba kuvvetle kontrol edildi).
Using DeMorgan's laws, find the complement of F = AB + C'.
Cevabı göster
. Kontrol: F' sadece m1, m3, m5'te 1, F ise kalan 5 satırda; birleşim {0..7}.
F(A,B,C) = Σm(0, 2, 5, 7). Write F in product-of-maxterms form ΠM(…).
Cevabı göster
F = 0 olan satırlar maxterm listesidir: {0..7} - {0, 2, 5, 7} = {1, 3, 4, 6}. Hesap yok, sadece listede olmayanlar.
Write the maxterm M5 for a 3-variable function F(A,B,C).
Cevabı göster
5 = 101. Maxterm kuralı minterm'in tersi: bit 0 → harfin kendisi, bit 1 → tersi. A = 1 → A', B = 0 → B, C = 1 → C'. M5 sadece ABC = 101 iken 0 olur.
Implement F = AB + CD using only NAND gates. Write the expression.
Cevabı göster
Çift tersle: . İçteki DeMorgan: . Yani = NAND(NAND(A,B), NAND(C,D)). İki seviyeli AND-OR devresi aynen iki seviyeli NAND-NAND olur.
A circuit computes X = NAND(A,B), Y = NAND(A,X), Z = NAND(B,X), F = NAND(Y,Z). Which basic operation is F?
Cevabı göster
Tabloyu çıkar (A B → X Y Z F): 00 → 1 1 1 0; 01 → 1 1 0 1; 10 → 1 0 1 1; 11 → 0 1 1 0.
F = 0110 = A ⊕ B. Dört NAND ile kurulan klasik XOR devresi.
F(A,B,C) = Σm(0, 1, 2, 4). Give a simplified sum of products.
Cevabı göster
m0 (000) her üç minterm'in komşusu. Eşle: m0+m1 → A'B', m0+m2 → A'C', m0+m4 → B'C'.
F = A'B' + A'C' + B'C'. Yani en fazla bir giriş 1 iken F = 1 (majority fonksiyonunun tersi).
Doğrulama: Her kapı tablosu, her sadeleştirme ve her minterm/maxterm listesi node ile tüm giriş kombinasyonları denenerek (exhaustive truth table) doğrulandı; en az terim sayısı kaba kuvvetle kontrol edildi (verify/SEN2201/03.mjs).