使用電晶體模擬邏輯門

邏輯門是邏輯電路的基本元件，能將輸入訊號進行邏輯運算
數碼訊號通過 0 及 1 (或 真 及 假) 進行邏輯運算
而電子線路通過高電壓及低電壓的訊號來實現邏輯運算

• 電晶體
• BUFFER Gate
• NOT Gate
• AND Gate
• NAND Gate
• OR Gate
• NOR Gate
• XOR Gate
• XNOR Gate
• 總結
• 參考資料

電晶體

電晶體有很多不同種類，在下使用只是眾電晶體其中一種

2N3904電晶體的正面

2N3904電晶體 屬於 NPN雙極面接電晶體 (Bipolar Junction Transistor (BJT))

NPN雙極面接電晶體 平的一面是正面，並會寫著型號

2N3904 NPN雙極性電晶體 共有 3支引腳

引腳	位置(正面)	連接
集極 (Collector)	右	主電源
基極 (Base)	中	副電源，控制是否讓主電源通過
射極 (Emitter)	左	接地

(不是所有電晶體的引腳次序都相同，應用不同型號的電晶體時必須查閱對應的說明文件)

BUFFER Gate

BUFFER Gate 是一種輸入及輸出都是相同訊號的邏輯門
雖然沒有改變訊號，但可以用作延遲訊號、放大訊號用途

表達式

Ｘ

(不一定使用 X 或 Y)

Java 例子

System.out.println("false = " + false); // false = false
System.out.println("true = " + true); // true = true

電路圖

電路原型

結果

輸入	輸出	描述	模擬電路	真實電路
0	0	輸入低電壓 輸出低電壓
1	1	輸入高電壓 輸出高電壓

Tinkercad 模擬電路

falstad 模擬電路

NOT Gate

NOT Gate 稱為 Inverter ，能將輸入訊號反轉後才輸出

表達式

Ｘ

(不一定使用 X 或 Y)

Java 例子

System.out.println("!false = " + !false); // !false = true
System.out.println("!true = " + !true); // !true = false

電路圖

電路原型

結果

輸入	輸出	描述	模擬電路	真實電路
0	1	輸入低電壓 輸出高電壓
1	0	輸入高電壓 輸出低電壓

Tinkercad 模擬電路

falstad 模擬電路

AND Gate

所有輸入訊號都是高電壓訊號才成立；只有一個是低電壓訊號便失效

表達式

Ｘ·Ｙ

(不一定使用 X 或 Y)

Java 例子

System.out.println("false & false = " + (false & false)); // false & false = false
System.out.println("true & false = " + (true & false)); // true & false = false
System.out.println("false & true = " + (false & true)); // false & true = false
System.out.println("true & true = " + (true & true)); // true & true = true

電路圖

電路原型

結果

輸入1	輸入2	輸出	描述	模擬電路	真實電路
0	0	0	輸入1低電壓 輸入2低電壓 輸出低電壓
1	0	0	輸入1高電壓 輸入2低電壓 輸出低電壓
0	1	0	輸入1低電壓 輸入2高電壓 輸出低電壓
1	1	1	輸入1高電壓 輸入2高電壓 輸出高電壓

Tinkercad 模擬電路

falstad 模擬電路

NAND Gate

所有輸入訊號都是高電壓訊號才失效；只有一個是低電壓訊號便成立

表達式

Ｘ·Ｙ

(不一定使用 X 或 Y)

Java 例子

System.out.println("!(false & false) = " + !(false & false)); // !(false & false) = true
System.out.println("!(true & false) = " + !(true & false)); // !(true & false) = true
System.out.println("!(false & true) = " + !(false & true)); // !(false & true) = true
System.out.println("!(true & true) = " + !(true & true)); // !(true & true) = false

電路圖

電路原型

結果

輸入1	輸入2	輸出	描述	模擬電路	真實電路
0	0	1	輸入1低電壓 輸入2低電壓 輸出高電壓
1	0	1	輸入1高電壓 輸入2低電壓 輸出高電壓
0	1	1	輸入1低電壓 輸入2高電壓 輸出高電壓
1	1	0	輸入1高電壓 輸入2高電壓 輸出低電壓

Tinkercad 模擬電路

falstad 模擬電路

OR Gate

只有一個輸入訊號都是高電壓訊號便成立；所有是低電壓訊號才失效

表達式

Ｘ＋Ｙ

(不一定使用 X 或 Y)

Java 例子

System.out.println("false | false = " + (false | false)); // false | false = false
System.out.println("true | false = " + (true | false)); // true | false = true
System.out.println("false | true = " + (false | true)); // false | true = true
System.out.println("true | true = " + (true | true)); // true | true = true

電路圖

電路原型

結果

輸入1	輸入2	輸出	描述	模擬電路	真實電路
0	0	0	輸入1低電壓 輸入2低電壓 輸出低電壓
1	0	1	輸入1高電壓 輸入2低電壓 輸出高電壓
0	1	1	輸入1低電壓 輸入2高電壓 輸出高電壓
1	1	1	輸入1高電壓 輸入2高電壓 輸出高電壓

Tinkercad 模擬電路

falstad 模擬電路

NOR Gate

只有一個輸入訊號都是高電壓訊號便失效；所有是低電壓訊號才成立

表達式

Ｘ＋Ｙ

(不一定使用 X 或 Y)

Java 例子

System.out.println("!(false | false) = " + !(false | false)); // !(false | false) = true
System.out.println("!(true | false) = " + !(true | false)); // !(true | false) = false
System.out.println("!(false | true) = " + !(false | true)); // !(false | true) = false
System.out.println("!(true | true) = " + !(true | true)); // !(true | true) = false

電路圖

電路原型

結果

輸入1	輸入2	輸出	描述	模擬電路	真實電路
0	0	1	輸入1低電壓 輸入2低電壓 輸出高電壓
1	0	0	輸入1高電壓 輸入2低電壓 輸出低電壓
0	1	0	輸入1低電壓 輸入2高電壓 輸出低電壓
1	1	0	輸入1高電壓 輸入2高電壓 輸出低電壓

Tinkercad 模擬電路

falstad 模擬電路

XOR Gate

所有輸入訊號不是相同電壓訊號才成立；相同電壓訊號便會失效

表達式

Ｘ⊕Ｙ

(不一定使用 X 或 Y)

Java 例子

System.out.println("false ^ false = " + (false ^ false)); // false ^ false = false
System.out.println("true ^ false = " + (true ^ false)); // true ^ false = true
System.out.println("false ^ true = " + (false ^ true)); // false ^ true = true
System.out.println("true ^ true = " + (true ^ true)); // true ^ true = false

電路圖

電路原型

結果

輸入1	輸入2	輸出	描述	模擬電路	真實電路
0	0	0	輸入1低電壓 輸入2低電壓 輸出低電壓
1	0	1	輸入1高電壓 輸入2低電壓 輸出高電壓
0	1	1	輸入1低電壓 輸入2高電壓 輸出高電壓
1	1	0	輸入1高電壓 輸入2高電壓 輸出低電壓

Tinkercad 模擬電路

falstad 模擬電路

XNOR Gate

所有輸入訊號不是相同電壓訊號便失效；不同電壓訊號便才成立

表達式

Ｘ⊕Ｙ

(不一定使用 X 或 Y)

Java 例子

System.out.println("!(false ^ false) = " + !(false ^ false)); // !(false ^ false) = true
System.out.println("!(true ^ false) = " + !(true ^ false)); // !(true ^ false) = false
System.out.println("!(false ^ true) = " + !(false ^ true)); // !(false ^ true) = false
System.out.println("!(true ^ true) = " + !(true ^ true)); // !(true ^ true) = true

電路圖

電路原型

結果

輸入1	輸入2	輸出	描述	模擬電路	真實電路
0	0	1	輸入1低電壓 輸入2低電壓 輸出高電壓
1	0	0	輸入1高電壓 輸入2低電壓 輸出低電壓
0	1	0	輸入1低電壓 輸入2高電壓 輸出低電壓
1	1	1	輸入1高電壓 輸入2高電壓 輸出高電壓

Tinkercad 模擬電路

falstad 模擬電路

總結

在下編寫多年程式，經常在判別式上使用邏輯門多控制結果
但在真實的電子控制器下親手製作邏輯門的線路還是第一次

但在下製作線路時通常都使用 Tinkercad 的網上電路設計平台，但發現設計 XNOR 時結果與現實不同
再上網尋找其他網上的電路模擬器，最後找到 https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html
雖然不能以麵包板形式設計，但可以電路圖形式設計，而且作操作都相當簡單，亦可以匯出檔案保存

參考資料

• 電晶體介紹 @ Sparkfun
• 2N3904 Datasheet
• 麵包板電路模擬 @ tinkercad (需要註冊才能編製專案)
• 電路圖電路模擬 @ falstad (免註冊編製)