العاكس (البوابة المنطقية)

في المنطق الرقمي، تُعرف بوابة العاكس أو بوابة النفي المنطقي (NOT) بأنها بوابة منطقية تُستخدم لتنفيذ عملية النفي المنطقي . تُخرج هذه البوابة بتًا قيمته معاكسة لقيمة بت الإدخال. تُمثل قيم البتات عادةً بمستويين مختلفين من الجهد ، يُطلق عليهما 0 و1، أو صحيح وخطأ ، أو مرتفع ومنخفض .

تُخرج بوابة النفي (NOT) القيمة 0 عند إدخال القيمة 1، وتُخرج القيمة 1 عند إدخال القيمة 0. وبالتالي، فهي تعكس مدخلاتها. ويُطلق على هذا الانعكاس للبتات اسم "قلب البتات". ^{[ 1 ]}

يُعادل هذا عامل النفي المنطقي (¬) في المنطق الرياضي . ولأنه لا يتطلب سوى مُدخل واحد، فهو عملية أحادية ، وله أبسط أنواع جداول الحقيقة . ويُسمى أيضًا بوابة المُكمِّل ^{[ 2 ]} لأنه يُنتج المُكمِّل الأحادي لعدد ثنائي، عن طريق تبديل الأصفار والآحاد.

بوابة النفي (NOT) هي إحدى البوابات المنطقية الأساسية الثلاث التي يمكن بناء أي دائرة منطقية منها. وبالاقتران مع بوابتي العطف (AND) والفصل (OR) ، يمكن تنفيذ أي دالة في الرياضيات الثنائية. ويمكن بناء جميع البوابات المنطقية الأخرى من هذه البوابات الثلاث. ^{[ 3 ]}

لا يشير مصطلحا "العاكس القابل للبرمجة" أو "العاكس المتحكم به" إلى هذه البوابة؛ بل يشيران إلى بوابة XOR لأنها يمكن أن تعمل بشكل مشروط كبوابة NOT. ^{[ 1 ] [ 3 ]}

رمز بوابة NOT التقليدي؛ في بعض الأحيان يتم حذف المثلث، أو قد يتم وضع الدائرة على خط الإدخال ^{[ 3 ]}

رمز بوابة النفي IEC 60617

الرمز التقليدي لدائرة العاكس هو مثلث يلامس دائرة صغيرة أو "فقاعة". تُوصل خطوط الإدخال والإخراج بهذا الرمز؛ وعادةً ما تُوصل الفقاعة بخط الإخراج. ولتمثيل الإدخال ذي الفعالية المنخفضة ، تُوضع الفقاعة أحيانًا على خط الإدخال. ^{[ 4 ]} أحيانًا يُستخدم الجزء الدائري فقط من الرمز، ويُوصل بمدخل أو مخرج بوابة أخرى؛ تُشكل رموز NAND و NOR بهذه الطريقة. ^{[ 3 ]}

يمكن أن يشير الخط العلوي (‾) فوق المتغير إلى النفي (أو الانعكاس أو المكمل) الذي تقوم به بوابة NOT. ^{[ 4 ]} كما يُستخدم الخط المائل (/) قبل المتغير. ^{[ 3 ]}

تُخرج دائرة العاكس جهدًا يُمثل مستوى منطقيًا معاكسًا لمستوى دخلها. وتتمثل وظيفتها الرئيسية في عكس إشارة الدخل المُطبقة. فإذا كان الدخل المُطبق منخفضًا، يصبح الخرج عاليًا، والعكس صحيح. يُمكن بناء العواكس باستخدام ترانزستور NMOS واحد أو ترانزستور PMOS واحد مُقترن بمقاومة . ولأن هذا النهج "المُصرف المقاوم" يستخدم نوعًا واحدًا فقط من الترانزستورات، يُمكن تصنيعه بتكلفة منخفضة. مع ذلك، ولأن التيار يمر عبر المقاومة في إحدى الحالتين، فإن تكوين المُصرف المقاوم يُعاني من عيب في استهلاك الطاقة وسرعة المعالجة. بدلاً من ذلك، يُمكن بناء العواكس باستخدام ترانزستورين مُكملين في تكوين CMOS . يُقلل هذا التكوين بشكل كبير من استهلاك الطاقة لأن أحد الترانزستورات يكون دائمًا في حالة إيقاف التشغيل في كلتا الحالتين المنطقيتين. ^{[ 5 ]} كما يُمكن تحسين سرعة المعالجة نظرًا للمقاومة المنخفضة نسبيًا مُقارنةً بالأجهزة التي تستخدم ترانزستورات NMOS فقط أو PMOS فقط. يمكن أيضًا إنشاء العاكسات باستخدام ترانزستورات ثنائية القطب (BJT) إما في تكوين منطق المقاومة والترانزستور (RTL) أو منطق الترانزستور والترانزستور (TTL).

تعمل الدوائر الإلكترونية الرقمية عند مستويات جهد ثابتة تُقابل القيمة المنطقية 0 أو 1 (انظر النظام الثنائي ). وتُستخدم دائرة العاكس كبوابة منطقية أساسية للتبديل بين هذين المستويين من الجهد. ويُحدد التنفيذ الجهد الفعلي، ولكن من بين المستويات الشائعة (0، +5 فولت) لدوائر TTL.

• 
  عاكس منطقي NMOS
• 
  عاكس منطقي PMOS
• 
  عاكس منطقي ثابت بتقنية CMOS
• 
  عاكس منطقي من نوع NPN ( مقاومة-ترانزستور )
• 
  عاكس منطقي من نوع ترانزستور-ترانزستور NPN

وحدة بناء رقمية

يُعد العاكس عنصرًا أساسيًا في الإلكترونيات الرقمية. وقد تستخدم أجهزة الإرسال المتعدد، وأجهزة فك التشفير، وآلات الحالة، وغيرها من الأجهزة الرقمية المتطورة، العواكس.

العاكس السداسي عبارة عن دائرة متكاملة تحتوي على ستة عواكس ( سداسية ). على سبيل المثال، شريحة 7404 TTL التي تحتوي على 14 طرفًا وشريحة 4049 CMOS التي تحتوي على 16 طرفًا، اثنان منها يُستخدمان للتغذية/الرجوع، و12 طرفًا تُستخدم كمداخل ومخارج للعواكس الستة (شريحة 4049 تحتوي على طرفين غير موصولين).

التمثيل التحليلي

${\displaystyle f(a)=1-a}$هذا هو التمثيل التحليلي لبوابة NOT:

• ${\displaystyle f(0)=1-0=1}$
• ${\displaystyle f(1)=1-1=0}$

البدائل

إذا لم تكن هناك بوابات NOT محددة متاحة، فيمكن صنع واحدة من بوابات NAND أو NOR العالمية، ^{[ 6 ]} بوابة XOR عن طريق ضبط أحد المدخلات على مستوى عالٍ أو بوابة XNOR عن طريق ضبط أحد المدخلات على مستوى منخفض.

البوابة المطلوبة	بناء NAND	شركة نور للإنشاءات

قياس الأداء

تُقاس جودة العاكس الرقمي عادةً باستخدام منحنى نقل الجهد (VTC)، وهو رسم بياني يوضح العلاقة بين جهد الخرج وجهد الدخل. ومن خلال هذا الرسم البياني، يمكن الحصول على معايير الجهاز، بما في ذلك تحمل الضوضاء، والكسب، ومستويات منطق التشغيل.

في الوضع الأمثل، يظهر منحنى تغير الجهد (VTC) كدالة خطوة معكوسة، مما يدل على دقة التبديل بين حالتي التشغيل والإيقاف ، ولكن في الأجهزة الحقيقية، توجد منطقة انتقال تدريجية. يشير منحنى تغير الجهد إلى أنه عند انخفاض جهد الدخل، تُخرج الدائرة جهدًا عاليًا؛ وعند ارتفاع جهد الدخل، يتناقص الجهد تدريجيًا نحو المستوى المنخفض. يُعد ميل منطقة الانتقال هذه مقياسًا للجودة، فالميل الحاد (القريب من الوضع الرأسي) يُشير إلى دقة التبديل.

يمكن قياس مدى تحمل الضوضاء من خلال مقارنة الحد الأدنى للمدخلات بالحد الأقصى للمخرجات لكل منطقة تشغيل (تشغيل / إيقاف).

المنطقة الخطية كمضخم تناظري

نظرًا لأن منطقة الانتقال حادة وخطية تقريبًا، يمكن استخدام بوابة منطقية رقمية عاكسة بتقنية CMOS ذات انحياز مناسب كمضخم خطي تناظري عالي الكسب ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]} أو حتى دمجها لتشكيل مضخم عمليات ^{[ 12 ]} . ويتحقق أقصى كسب عندما تكون نقاط تشغيل الإدخال والإخراج متساوية الجهد، ويمكن تحقيق ذلك عن طريق توصيل مقاوم بين الإخراج والإدخال ^{[ 13 ] .}

• بوابة NOT المتحكم بها
• بوابة AND
• بوابة OR
• بوابة NAND
• بوابة نور
• بوابة XOR
• بوابة XNOR
• بوابة التلميح
• الجبر البولياني
• بوابة منطقية

• بوابة النفي (NOT) في كتاب "كل شيء عن الدوائر"
• بوابة NOT في كتاب "التصميم باستخدام الدوائر المتكاملة TTL" الصادر عام 1971