Logic Gates
Logic Gates¶
Overview¶
Logic gates are the fundamental building blocks of digital circuits, taking one or more input signals, performing logical operations, and generating output signals. In this lesson, we will learn about the types of basic logic gates, truth table construction, Boolean algebra laws, and methods for simplifying logic expressions.
Difficulty: โญ (Beginner)
Table of Contents¶
- Logic Gate Basics
- Basic Gates (AND, OR, NOT)
- Universal Gates (NAND, NOR)
- XOR and XNOR Gates
- Truth Table Construction
- Boolean Algebra Basics
- Boolean Algebra Laws
- Logic Expression Simplification
- Practice Problems
1. Logic Gate Basics¶
Digital Signals¶
โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโ
โ Digital Signals โ
โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโค
โ โ
โ Analog vs Digital: โ
โ โ
โ Analog: Continuous values Digital: Discrete values โ
โ โ
โ โ /\ /\ โ โโโโ โโโโ โ
โ โ/ \ / \ โ โ โ โ โ โ
โ โโโโผโโโโ\/โโโโ\โโ โโโโผโโ โโโโ โโโ โ
โ โ โ โ
โ โ
โ In digital logic: โ
โ - HIGH (1, True): High voltage (e.g., 5V, 3.3V) โ
โ - LOW (0, False): Low voltage (e.g., 0V) โ
โ โ
โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโ
What is a Logic Gate?¶
Logic Gate:
Electronic circuit that performs logical operations on input signals to generate output
โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโ
โ โ
โ Input A โโโโโโ โ
โ โ โ
โ โโโโ[ Logic Gate ]โโโโโโ Output Y โ
โ โ โ
โ Input B โโโโโโ โ
โ โ
โ Y = f(A, B) โ Logic function โ
โ โ
โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโ
Physical implementation of gates:
- Transistors (CMOS, TTL, etc.)
- Relays (early computers)
- Vacuum tubes (1st generation computers)
Summary of Logic Gate Types¶
โโโโโโโโโโโโโโโฌโโโโโโโโโโโโโฌโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโ
โ Gate โ Symbol โ Description โ
โโโโโโโโโโโโโโโผโโโโโโโโโโโโโผโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโค
โ AND โ AยทB โ Output 1 only when both are 1 โ
โ OR โ A+B โ Output 1 if at least one is 1 โ
โ NOT โ A' โ Inverts input โ
โโโโโโโโโโโโโโโผโโโโโโโโโโโโโผโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโค
โ NAND โ (AยทB)' โ Inverted AND โ
โ NOR โ (A+B)' โ Inverted OR โ
โโโโโโโโโโโโโโโผโโโโโโโโโโโโโผโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโค
โ XOR โ AโB โ Output 1 when inputs differ โ
โ XNOR โ (AโB)' โ Output 1 when inputs are equal โ
โโโโโโโโโโโโโโโดโโโโโโโโโโโโโดโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโ
2. Basic Gates (AND, OR, NOT)¶
AND Gate¶
AND Gate: Output is 1 only when all inputs are 1
Circuit Symbol:
โโโโโโ
A โโโโค โ
โ & โโโโY Y = A ยท B = A AND B
B โโโโค โ
โโโโโโ
IEEE/ANSI Symbol:
A โโโโฌโโโโโฎ
โ โโโโY
B โโโโดโโโโโฏ
Truth Table:
โโโโโฌโโโโฌโโโโโโโโ
โ A โ B โ AยทB โ
โโโโโผโโโโผโโโโโโโโค
โ 0 โ 0 โ 0 โ
โ 0 โ 1 โ 0 โ
โ 1 โ 0 โ 0 โ
โ 1 โ 1 โ 1 โ
โโโโโดโโโโดโโโโโโโโ
Real-world analogy:
- Switches connected in series
- Light bulb lights only when both switches are ON
A B Bulb
โ/ โโโโโ/ โโโโโโฏโ
OR Gate¶
OR Gate: Output is 1 if at least one input is 1
Circuit Symbol:
โโโโโโฒ
A โโโโค โฒ
โ โฅ1 >โโโY Y = A + B = A OR B
B โโโโค โฑ
โโโโโโฑ
IEEE/ANSI Symbol:
A โโโโฒโฒ
โฒโฒโโโโY
B โโโโฑโฑ
Truth Table:
โโโโโฌโโโโฌโโโโโโโโ
โ A โ B โ A+B โ
โโโโโผโโโโผโโโโโโโโค
โ 0 โ 0 โ 0 โ
โ 0 โ 1 โ 1 โ
โ 1 โ 0 โ 1 โ
โ 1 โ 1 โ 1 โ
โโโโโดโโโโดโโโโโโโโ
Real-world analogy:
- Switches connected in parallel
- Light bulb lights when at least one is ON
โโโ/ โโโ A
โโโโโค โโโโโโฏโโ
โโโ/ โโโ B
Bulb
NOT Gate (Inverter)¶
NOT Gate: Inverts the input
Circuit Symbol:
โโโโโโฒ
A โโโโค 1 oโโโY Y = A' = ฤ = NOT A = ยฌA
โโโโโโฑ
Truth Table:
โโโโโฌโโโโโโโโ
โ A โ A' โ
โโโโโผโโโโโโโโค
โ 0 โ 1 โ
โ 1 โ 0 โ
โโโโโดโโโโโโโโ
Notation:
- A' (prime)
- ฤ (overbar)
- NOT A
- ยฌA
- !A (programming)
- ~A (bitwise operation)
Real-world analogy:
- Normally closed (NC) switch
- Circuit breaks when button is pressed
Basic Gate Combinations¶
3-input AND Gate:
A โโโโ
โ โโโโโโ
B โโโโผโโโโโค โ
โ โ & โโโโY Y = A ยท B ยท C
C โโโโ โ โ
โโโโโโ
Truth Table (8 combinations):
โโโโโฌโโโโฌโโโโฌโโโโโโโโ
โ A โ B โ C โ AยทBยทC โ
โโโโโผโโโโผโโโโผโโโโโโโโค
โ 0 โ 0 โ 0 โ 0 โ
โ 0 โ 0 โ 1 โ 0 โ
โ 0 โ 1 โ 0 โ 0 โ
โ 0 โ 1 โ 1 โ 0 โ
โ 1 โ 0 โ 0 โ 0 โ
โ 1 โ 0 โ 1 โ 0 โ
โ 1 โ 1 โ 0 โ 0 โ
โ 1 โ 1 โ 1 โ 1 โ
โโโโโดโโโโดโโโโดโโโโโโโโ
3-input OR Gate:
Y = A + B + C
Output is 1 if at least one is 1
Output is 0 only when all are 0
3. Universal Gates (NAND, NOR)¶
NAND Gate¶
NAND Gate: Inverted AND (NOT AND)
Circuit Symbol:
โโโโโโฒ
A โโโโค oโโโY Y = (A ยท B)' = A NAND B
B โโโโค โฑ
โโโโโโฑ
Truth Table:
โโโโโฌโโโโฌโโโโโโโโโโโ
โ A โ B โ (AยทB)' โ
โโโโโผโโโโผโโโโโโโโโโโค
โ 0 โ 0 โ 1 โ
โ 0 โ 1 โ 1 โ
โ 1 โ 0 โ 1 โ
โ 1 โ 1 โ 0 โ
โโโโโดโโโโดโโโโโโโโโโโ
Comparison with AND:
โโโโโฌโโโโฌโโโโโโโโฌโโโโโโโโโโโ
โ A โ B โ AยทB โ (AยทB)' โ
โโโโโผโโโโผโโโโโโโโผโโโโโโโโโโโค
โ 0 โ 0 โ 0 โ 1 โ
โ 0 โ 1 โ 0 โ 1 โ
โ 1 โ 0 โ 0 โ 1 โ
โ 1 โ 1 โ 1 โ 0 โ
โโโโโดโโโโดโโโโโโโโดโโโโโโโโโโโ
NOR Gate¶
NOR Gate: Inverted OR (NOT OR)
Circuit Symbol:
โโโโโโฒ
A โโโโฒ oโโโY Y = (A + B)' = A NOR B
B โโโโฑ โฑ
โโโโโโฑ
Truth Table:
โโโโโฌโโโโฌโโโโโโโโโโโ
โ A โ B โ (A+B)' โ
โโโโโผโโโโผโโโโโโโโโโโค
โ 0 โ 0 โ 1 โ
โ 0 โ 1 โ 0 โ
โ 1 โ 0 โ 0 โ
โ 1 โ 1 โ 0 โ
โโโโโดโโโโดโโโโโโโโโโโ
Comparison with OR:
โโโโโฌโโโโฌโโโโโโโโฌโโโโโโโโโโโ
โ A โ B โ A+B โ (A+B)' โ
โโโโโผโโโโผโโโโโโโโผโโโโโโโโโโโค
โ 0 โ 0 โ 0 โ 1 โ
โ 0 โ 1 โ 1 โ 0 โ
โ 1 โ 0 โ 1 โ 0 โ
โ 1 โ 1 โ 1 โ 0 โ
โโโโโดโโโโดโโโโโโโโดโโโโโโโโโโโ
Meaning of Universal Gates¶
โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโ
โ Universal Gate โ
โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโค
โ โ
โ NAND and NOR are "Universal Gates". โ
โ โ All logical operations can be implemented with these โ
โ gates alone. โ
โ โ
โ Implementing other gates with NAND: โ
โ โ
โ NOT: โ
โ A โโโโฌโโโโค NAND โโโโโ A' โ
โ โโโโโค โ โ
โ โ
โ AND: โ
โ A โโโโค NAND โโโโโค NAND โโโโโ AยทB โ
โ B โโโโค โโโโโค โ โ
โ โ
โ OR: โ
โ A โโโโค NAND โโโ โ
โ A โโโโค โ โโโโโค NAND โโโโโ A+B โ
โ B โโโโค NAND โโโโโโโค โ โ
โ B โโโโค โ โ
โ โ
โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโ
Implementing Basic Gates with NAND¶
1. NOT from NAND:
โโโโโโโโโ
A โโค โ
โ NAND โโโโ Y = A'
A โโค โ
โโโโโโโโโ
(AยทA)' = A'
2. AND from NAND:
โโโโโโโโโ โโโโโโโโโ
A โโค โ โ โ
โ NAND โโโโโโค NAND โโโโ Y = AยทB
B โโค โ โ โ
โโโโโโโโโ โโโโโโโโโ
โ
(same input)
((AยทB)')' = AยทB
3. OR from NAND:
โโโโโโโโโ
A โโค โ
โ NAND โโโโโโโ
A โโค โ โ โโโโโโโโโ
โโโโโโโโโ โโโโโค โ
โ โ NAND โโโโ Y = A+B
โโโโโโโโโ โโโโโค โ
B โโค โ โ โโโโโโโโโ
โ NAND โโโโโโโ
B โโค โ
โโโโโโโโโ
(A'ยทB')' = A+B (De Morgan)
4. XOR and XNOR Gates¶
XOR Gate (Exclusive OR)¶
XOR Gate: Output is 1 when inputs differ
Circuit Symbol:
โโโโโโฒ
A โโโโฒ =1 โฒโโโY Y = A โ B = A XOR B
B โโโโฑ โฑ
โโโโโโฑ
IEEE Symbol: =1 or โ
Truth Table:
โโโโโฌโโโโฌโโโโโโโโ
โ A โ B โ AโB โ
โโโโโผโโโโผโโโโโโโโค
โ 0 โ 0 โ 0 โ โ Equal
โ 0 โ 1 โ 1 โ โ Different
โ 1 โ 0 โ 1 โ โ Different
โ 1 โ 1 โ 0 โ โ Equal
โโโโโดโโโโดโโโโโโโโ
Equivalent expressions:
A โ B = A'B + AB' (only one is 1)
= (A + B)(A' + B')
= (A + B)(AB)'
XOR properties:
- A โ 0 = A
- A โ 1 = A'
- A โ A = 0
- A โ A' = 1
- A โ B = B โ A (commutative)
- (A โ B) โ C = A โ (B โ C) (associative)
XNOR Gate (Equivalence)¶
XNOR Gate: Output is 1 when inputs are equal
Circuit Symbol:
โโโโโโฒ
A โโโโฒ =1 oโโโY Y = (A โ B)' = A XNOR B
B โโโโฑ โฑ
โโโโโโฑ
Truth Table:
โโโโโฌโโโโฌโโโโโโโโโโ
โ A โ B โ (AโB)' โ
โโโโโผโโโโผโโโโโโโโโโค
โ 0 โ 0 โ 1 โ โ Equal
โ 0 โ 1 โ 0 โ โ Different
โ 1 โ 0 โ 0 โ โ Different
โ 1 โ 1 โ 1 โ โ Equal
โโโโโดโโโโดโโโโโโโโโโ
Equivalent expressions:
(A โ B)' = A'B' + AB (both equal)
= A โ B (equivalence symbol)
Applications of XOR¶
โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโ
โ Major XOR Applications โ
โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโค
โ โ
โ 1. Adder โ
โ - Sum calculation in half adder โ
โ - LSB of A + B = A โ B โ
โ โ
โ 2. Parity Check โ
โ - XOR of multiple bits = 1 if odd number of 1s โ
โ - Used for error detection โ
โ โ
โ 3. Comparator โ
โ - A โ B = 0 if A = B โ
โ - A โ B = 1 if A โ B โ
โ โ
โ 4. Toggle โ
โ - A โ 1 = A' (bit inversion) โ
โ - A โ 0 = A (maintain) โ
โ โ
โ 5. Encryption โ
โ - Message โ Key = Ciphertext โ
โ - Ciphertext โ Key = Message โ
โ โ
โ 6. Swap (without temp variable) โ
โ - a = a โ b โ
โ - b = a โ b โ
โ - a = a โ b โ
โ โ
โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโ
Implementing XOR with Basic Gates¶
XOR = A'B + AB'
Circuit implementation:
โโโโโโโ
A โโโโโฌโโโโโค NOT โโโโโโ
โ โโโโโโโ โ โโโโโโโ
โ โโโโโโค โ
โ โ AND โโโโโโ
โ โโโโโโโโโโโโโโโโค โ โ โโโโโโ
โ โ โโโโโโโ โโโโโโค โ
B โโโโโผโโโโโผโโโโโโโโโโโ โ โ OR โโโโY
โ โ โ โ โ โ
โ โ โโโโโโโ โโโโโโโ โ โโโโโโ
โ โ โ NOT โโโโโโค โ โ
โ โโโโโโค โ โ AND โโโโโ
โโโโโโโโโโโดโโโโโโ โ โ
โโโโโโโ
Gate count:
- 2 NOT + 2 AND + 1 OR = 5 gates
Implementing XOR with NAND only:
- Requires 4 NAND gates
5. Truth Table Construction¶
Truth Table Basics¶
โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโ
โ Truth Table โ
โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโค
โ Lists all possible input combinations and corresponding โ
โ outputs for a logic function โ
โ โ
โ n inputs โ 2โฟ rows โ
โ - 1 input: 2 rows โ
โ - 2 inputs: 4 rows โ
โ - 3 inputs: 8 rows โ
โ - 4 inputs: 16 rows โ
โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโ
Input listing rule (counting order):
โโโโโฌโโโโฌโโโโ
โ A โ B โ C โ
โโโโโผโโโโผโโโโค
โ 0 โ 0 โ 0 โ โ 0
โ 0 โ 0 โ 1 โ โ 1
โ 0 โ 1 โ 0 โ โ 2
โ 0 โ 1 โ 1 โ โ 3
โ 1 โ 0 โ 0 โ โ 4
โ 1 โ 0 โ 1 โ โ 5
โ 1 โ 1 โ 0 โ โ 6
โ 1 โ 1 โ 1 โ โ 7
โโโโโดโโโโดโโโโ
Truth Tables for Complex Logic Expressions¶
Example: Y = AB + A'C
Add intermediate columns for step-by-step calculation:
โโโโโฌโโโโฌโโโโฌโโโโโโฌโโโโโโโฌโโโโโโฌโโโโโโโโโโโโ
โ A โ B โ C โ A' โ AB โ A'C โ Y=AB+A'C โ
โโโโโผโโโโผโโโโผโโโโโโผโโโโโโโผโโโโโโผโโโโโโโโโโโโค
โ 0 โ 0 โ 0 โ 1 โ 0 โ 0 โ 0 โ
โ 0 โ 0 โ 1 โ 1 โ 0 โ 1 โ 1 โ
โ 0 โ 1 โ 0 โ 1 โ 0 โ 0 โ 0 โ
โ 0 โ 1 โ 1 โ 1 โ 0 โ 1 โ 1 โ
โ 1 โ 0 โ 0 โ 0 โ 0 โ 0 โ 0 โ
โ 1 โ 0 โ 1 โ 0 โ 0 โ 0 โ 0 โ
โ 1 โ 1 โ 0 โ 0 โ 1 โ 0 โ 1 โ
โ 1 โ 1 โ 1 โ 0 โ 1 โ 0 โ 1 โ
โโโโโดโโโโดโโโโดโโโโโโดโโโโโโโดโโโโโโดโโโโโโโโโโโโ
Deriving Logic Expressions from Truth Tables¶
Deriving logic expressions from a given truth table:
โโโโโฌโโโโฌโโโโ
โ A โ B โ Y โ
โโโโโผโโโโผโโโโค
โ 0 โ 0 โ 1 โ โ Row 0: A'B'
โ 0 โ 1 โ 0 โ
โ 1 โ 0 โ 1 โ โ Row 2: AB'
โ 1 โ 1 โ 1 โ โ Row 3: AB
โโโโโดโโโโดโโโโ
Method 1: Sum of Products (SOP)
- Select only rows where output is 1
- Express each row as AND term (add NOT for 0s)
- Connect with OR
Y = A'B' + AB' + AB
Method 2: Product of Sums (POS)
- Select only rows where output is 0
- Express each row as OR term (add NOT for 1s)
- Connect with AND
Y = (A + B') โ from row 0,1
6. Boolean Algebra Basics¶
What is Boolean Algebra?¶
โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโ
โ Boolean Algebra โ
โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโค
โ โ
โ Algebraic system developed by George Boole in 1847 โ
โ Deals with two values (0, 1) and logical operations โ
โ โ
โ Basic operations: โ
โ - AND (conjunction): ยท or omitted โ
โ - OR (disjunction): + โ
โ - NOT (complement): ' or ฬ (overbar) โ
โ โ
โ Operation precedence: โ
โ 1. Parentheses () โ
โ 2. NOT (') โ
โ 3. AND (ยท) โ
โ 4. OR (+) โ
โ โ
โ Example: A + B ยท C' = A + (B ยท (C')) โ
โ โ
โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโ
Basic Axioms¶
Boolean Algebra Axioms:
1. Closure:
- A ยท B โ {0, 1}
- A + B โ {0, 1}
2. Identity:
- A ยท 1 = A
- A + 0 = A
3. Commutative:
- A ยท B = B ยท A
- A + B = B + A
4. Distributive:
- A ยท (B + C) = AยทB + AยทC
- A + (B ยท C) = (A+B) ยท (A+C) โ Different from regular algebra!
5. Complement:
- A ยท A' = 0
- A + A' = 1
7. Boolean Algebra Laws¶
Basic Theorems¶
โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโ
โ Basic Theorems โ
โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโค
โ โ
โ Idempotent: โ
โ - A ยท A = A โ
โ - A + A = A โ
โ โ
โ Null/Domination: โ
โ - A ยท 0 = 0 โ
โ - A + 1 = 1 โ
โ โ
โ Involution (Double Negation): โ
โ - (A')' = A โ
โ โ
โ Absorption: โ
โ - A + AยทB = A โ
โ - A ยท (A + B) = A โ
โ โ
โ Associative: โ
โ - (A ยท B) ยท C = A ยท (B ยท C) โ
โ - (A + B) + C = A + (B + C) โ
โ โ
โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโ
De Morgan's Laws¶
โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโ
โ De Morgan's Laws โ
โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโค
โ โ
โ Theorem 1: (A ยท B)' = A' + B' โ
โ "NOT of AND = OR of NOTs" โ
โ โ
โ Theorem 2: (A + B)' = A' ยท B' โ
โ "NOT of OR = AND of NOTs" โ
โ โ
โ Generalization: โ
โ (Aโ ยท Aโ ยท ... ยท Aโ)' = Aโ' + Aโ' + ... + Aโ' โ
โ (Aโ + Aโ + ... + Aโ)' = Aโ' ยท Aโ' ยท ... ยท Aโ' โ
โ โ
โ Application: NAND/NOR conversion โ
โ (AB)' = A' + B' โ NAND to NOR with inverters โ
โ (A+B)' = A'B' โ NOR to NAND with inverters โ
โ โ
โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโ
Proof of De Morgan's Laws (truth table):
(A ยท B)' = A' + B'
โโโโโฌโโโโฌโโโโโโฌโโโโโโโโโฌโโโโโโฌโโโโโโฌโโโโโโโโโโโ
โ A โ B โ AยทB โ (AยทB)' โ A' โ B' โ A' + B' โ
โโโโโผโโโโผโโโโโโผโโโโโโโโโผโโโโโโผโโโโโโผโโโโโโโโโโโค
โ 0 โ 0 โ 0 โ 1 โ 1 โ 1 โ 1 โ
โ 0 โ 1 โ 0 โ 1 โ 1 โ 0 โ 1 โ
โ 1 โ 0 โ 0 โ 1 โ 0 โ 1 โ 1 โ
โ 1 โ 1 โ 1 โ 0 โ 0 โ 0 โ 0 โ
โโโโโดโโโโดโโโโโโดโโโโโโโโโดโโโโโโดโโโโโโดโโโโโโโโโโโ
Equal!
Consensus Theorem¶
Consensus:
AยทB + A'ยทC + BยทC = AยทB + A'ยทC
"Remove redundant term"
Proof:
BยทC = BยทCยท(A + A') (A + A' = 1)
= AยทBยทC + A'ยทBยทC
= AยทBยทC + A'ยทBยทC (already included in AB and A'C)
Dual form:
(A + B)ยท(A' + C)ยท(B + C) = (A + B)ยท(A' + C)
Boolean Algebra Laws Summary Table¶
โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโฌโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโฌโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโ
โ Law โ AND โ OR โ
โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโผโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโผโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโค
โ Identity โ A ยท 1 = A โ A + 0 = A โ
โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโผโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโผโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโค
โ Null โ A ยท 0 = 0 โ A + 1 = 1 โ
โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโผโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโผโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโค
โ Idempotent โ A ยท A = A โ A + A = A โ
โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโผโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโผโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโค
โ Complement โ A ยท A' = 0 โ A + A' = 1 โ
โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโผโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโผโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโค
โ Commutative โ A ยท B = B ยท A โ A + B = B + A โ
โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโผโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโผโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโค
โ Associative โ (AB)C = A(BC) โ (A+B)+C = A+(B+C) โ
โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโผโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโผโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโค
โ Distributive โ A(B+C) = AB + AC โ A+BC = (A+B)(A+C) โ
โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโผโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโผโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโค
โ Absorption โ A(A+B) = A โ A + AB = A โ
โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโผโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโผโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโค
โ De Morgan โ (AB)' = A' + B' โ (A+B)' = A'B' โ
โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโดโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโดโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโ
8. Logic Expression Simplification¶
Algebraic Simplification¶
Example 1: Y = AB + AB'
Y = AB + AB'
= A(B + B') (reverse distributive)
= A ยท 1 (B + B' = 1)
= A (identity)
Example 2: Y = A'B'C + A'BC + AB'C + ABC
Y = A'B'C + A'BC + AB'C + ABC
= A'C(B' + B) + AC(B' + B) (reverse distributive)
= A'C ยท 1 + AC ยท 1 (B' + B = 1)
= A'C + AC
= C(A' + A) (reverse distributive)
= C ยท 1
= C
Example 3: Y = AB + A'C + BC
Y = AB + A'C + BC
= AB + A'C + BC(A + A') (A + A' = 1)
= AB + A'C + ABC + A'BC
= AB(1 + C) + A'C(1 + B) (1 + X = 1)
= AB + A'C (consensus theorem)
Karnaugh Map¶
โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโ
โ Karnaugh Map (K-Map) โ
โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโค
โ Method to visually simplify by arranging truth table โ
โ in 2D format. Group adjacent 1s to eliminate variables. โ
โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโ
2-variable K-Map:
B
0 1
โโโโโโโฌโโโโโโ
0 โ A'B'โ A'B โ
A โโโโโโโผโโโโโโค
1 โ AB' โ AB โ
โโโโโโโดโโโโโโ
3-variable K-Map (Gray code order):
BC
00 01 11 10
โโโโโโฌโโโโโฌโโโโโฌโโโโโ
0 โ 0 โ 1 โ 3 โ 2 โ
A โโโโโโผโโโโโผโโโโโผโโโโโค
1 โ 4 โ 5 โ 7 โ 6 โ
โโโโโโดโโโโโดโโโโโดโโโโโ
(minterm numbers)
4-variable K-Map:
CD
00 01 11 10
โโโโโโฌโโโโโฌโโโโโฌโโโโโ
00 โ 0 โ 1 โ 3 โ 2 โ
โโโโโโผโโโโโผโโโโโผโโโโโค
01 โ 4 โ 5 โ 7 โ 6 โ
AB โโโโโโผโโโโโผโโโโโผโโโโโค
11 โ 12 โ 13 โ 15 โ 14 โ
โโโโโโผโโโโโผโโโโโผโโโโโค
10 โ 8 โ 9 โ 11 โ 10 โ
โโโโโโดโโโโโดโโโโโดโโโโโ
K-Map Usage¶
Example: Y = ฮฃm(0, 1, 3, 5, 7) (3 variables)
Step 1: Mark 1s on K-Map
BC
00 01 11 10
โโโโโโฌโโโโโฌโโโโโฌโโโโโ
0 โ 1 โ 1 โ 1 โ โ โ m0, m1, m3
A โโโโโโผโโโโโผโโโโโผโโโโโค
1 โ โ 1 โ 1 โ โ โ m5, m7
โโโโโโดโโโโโดโโโโโดโโโโโ
Step 2: Group adjacent 1s (power-of-2 sizes)
BC
00 01 11 10
โโโโโโฌโโโโโฌโโโโโฌโโโโโ
0 โ[1] โ 1โโโผโ1 โ โ Group1: m1,m3,m5,m7 (vertical 2 cells)
A โโโโโโผโโโโโผโโโโโผโโโโโค
1 โ โ 1โโโผโ1 โ โ
โโโโโโดโโโโโดโโโโโดโโโโโ
โ
Group2: m0,m1 (horizontal 2 cells)
Step 3: Extract common variables for each group
- Group1 (4 cells): Only C is common โ C
- Group2 (2 cells): A' and B' are common โ A'B'
Result: Y = C + A'B'
Verification:
Original: A'B'C' + A'B'C + A'BC + AB'C + ABC
= A'B'(C'+C) + C(A'B + AB' + AB)
= A'B' + C(A'B + A) = A'B' + C
K-Map Grouping Rules¶
โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโ
โ K-Map Grouping Rules โ
โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโค
โ โ
โ 1. Group size must be power of 2 (1, 2, 4, 8, 16...) โ
โ โ
โ 2. Only adjacent cells can be grouped (no diagonal) โ
โ - K-Map edges wrap around (torus shape) โ
โ โ
โ 3. All 1s must be included in at least one group โ
โ โ
โ 4. Groups should be as large as possible โ
โ (larger group = fewer variables) โ
โ โ
โ 5. Same 1 can be included in multiple groups if needed โ
โ โ
โ 6. Don't Care (X) can be treated as 1 when needed โ
โ โ
โโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโโ
Edge wrapping example (4 variables):
CD
00 01 11 10
โโโโโโฌโโโโโฌโโโโโฌโโโโโ
00 โ 1 โ โ โ 1 โ โ left-right wrap
โโโโโโผโโโโโผโโโโโผโโโโโค
01 โ โ โ โ โ
AB โโโโโโผโโโโโผโโโโโผโโโโโค
11 โ โ โ โ โ
โโโโโโผโโโโโผโโโโโผโโโโโค
10 โ 1 โ โ โ 1 โ โ top-bottom wrap
โโโโโโดโโโโโดโโโโโดโโโโโ
โ โ
โโโโโโโโโโโโโโโโ
left-right wrap
4 ones form one group (four corners)
โ B'D' (common variables)
9. Practice Problems¶
Basic Problems¶
1. Find the result of the following logical operations. - (a) 1 AND 0 - (b) 1 OR 0 - (c) NOT 1 - (d) 1 NAND 1 - (e) 0 NOR 0 - (f) 1 XOR 1
2. Create truth tables for the following logic expressions. - (a) Y = A + B' - (b) Y = AB + A'B' - (c) Y = (A + B)(A' + C)
3. Derive the logic expression in SOP form for the following truth table.
โโโโโฌโโโโฌโโโโ
โ A โ B โ Y โ
โโโโโผโโโโผโโโโค
โ 0 โ 0 โ 0 โ
โ 0 โ 1 โ 1 โ
โ 1 โ 0 โ 1 โ
โ 1 โ 1 โ 0 โ
โโโโโดโโโโดโโโโ
Boolean Algebra Problems¶
4. Simplify the following logic expressions. - (a) Y = A + A'B - (b) Y = AB + AB' - (c) Y = (A + B)(A + B') - (d) Y = A'B + AB' + AB + A'B'
5. Use De Morgan's laws to transform the following. - (a) (ABC)' = ? - (b) (A + B + C)' = ? - (c) ((A + B)C)' = ?
6. Prove the following identities using Boolean algebra. - (a) A + AB = A - (b) A(A + B) = A - (c) A + A'B = A + B
K-Map Problems¶
7. Simplify the following logic expressions using K-Maps. - (a) Y = ฮฃm(0, 2, 4, 6) (3 variables) - (b) Y = ฮฃm(0, 1, 2, 3, 5, 7) (3 variables) - (c) Y = ฮฃm(0, 1, 2, 5, 8, 9, 10) (4 variables)
8. Simplify the following function with Don't Care conditions. Y = ฮฃm(1, 3, 7) + d(0, 5) (3 variables)
Advanced Problems¶
9. Implement the following using only NAND gates. - (a) NOT gate - (b) AND gate - (c) OR gate - (d) XOR gate
10. Express the output of the following circuit as a logic expression and simplify.
โโโโโโโ
A โโโโโโโค โ
โ AND โโโโโโโ
B โโโโโโโค โ โ โโโโโโโ
โโโโโโโ โโโโโโค โ
โ โ OR โโโโโ Y
โโโโโโโ โโโโโโค โ
A โโโฌโโโโค NOT โโโโโโโ โโโโโโโ
โ โโโโโโโ
โ โโโโโโโ
โโโโโค โ
โ AND โโโโโโโโโโโโโโโโโโโ
C โโโโโโโค โ
โโโโโโโ
Answers
**1. Logical operation results** - (a) 1 AND 0 = 0 - (b) 1 OR 0 = 1 - (c) NOT 1 = 0 - (d) 1 NAND 1 = 0 - (e) 0 NOR 0 = 1 - (f) 1 XOR 1 = 0 **2. Truth tables** - (a) Y = A + B': [1,0,1,1] (in order) - (b) Y = AB + A'B': [1,0,0,1] - (c) Y = (A+B)(A'+C): [0,C,B,1] i.e. [0,0,0,1,0,1,0,1] **3.** Y = A'B + AB' = A XOR B **4. Simplification** - (a) Y = A + A'B = A + B (absorption) - (b) Y = AB + AB' = A(B + B') = A - (c) Y = (A+B)(A+B') = A + BB' = A - (d) Y = A'B + AB' + AB + A'B' = A'(B+B') + A(B'+B) = A' + A = 1 **5. De Morgan** - (a) (ABC)' = A' + B' + C' - (b) (A+B+C)' = A'B'C' - (c) ((A+B)C)' = (A+B)' + C' = A'B' + C' **6. Proof** - (a) A + AB = A(1 + B) = Aยท1 = A - (b) A(A+B) = AA + AB = A + AB = A - (c) A + A'B = (A+A')(A+B) = 1ยท(A+B) = A+B **7. K-Map simplification** - (a) Y = B' (m0,m2,m4,m6 are B=0 column) - (b) Y = A' + C (m0,1,2,3=A', m1,3,5,7=C) - (c) Y = B'D' + A'B'C' + A'CD' **8.** With Don't Care: Y = B' or Y = A' + B' (depending on d usage) **9. NAND implementation** - (a) NOT: A NAND A = A' - (b) AND: (A NAND B) NAND (A NAND B) - (c) OR: (A NAND A) NAND (B NAND B) - (d) XOR: Requires 4 NANDs **10.** Y = AB + A'C = AND of A and B OR AND of NOT A and C, simplification result remains AB + A'C (cannot be simplified further)Next Steps¶
- 05_Combinational_Logic.md - Adders, multiplexers, decoders
References¶
- Digital Design (Morris Mano)
- Computer Organization and Design (Patterson & Hennessy)
- Logic Gate Simulator
- Boolean Algebra Calculator
- Karnaugh Map Solver