Memahami Gerbang Logika: Jenis, Fungsi, dan Prinsip Kerjanya

Gerbang logika merupakan salah satu materi fundamental yang diajarkan pada mata kuliah sistem digital di jurusan ilmu komputer dan informatika.

Materi ini cukup penting dipelajari untuk mengenal bagaimana proses signal input pada komputer diolah menjadi output yang tepat. Seperti yang mafhum diketahui, bahwa komputer hanya mengenal sinyal biner yaitu 0 dan 1. Dimana 1 adalah sinyal tinggi dan 0 berarti sinyal rendah.

Gerbang logika dapat ditemukan di hampir setiap gadget digital yang kita gunakan, termasuk telepon, laptop, tablet, dan perangkat memori.

Pada artikel ini kita akan belajar bersama-sama untuk memahami apa itu gerbang logika, jenis-jenisnya, prinsip kerja, aplikasi, serta kelebihan dan kekurangan.

Daftar Isi

Pengertian Gerbang Logika 

Gerbang logika adalah blok pembangun sistem digital yang secara fungsi dasar digunakan dalam melakukan operasi logika dengan bertindak sebagai sakelar (switch). Salah satu implementasi dari gerbang logika adalah fungsi boolean (true/false).

Gerbang logika dapat didefinisikan sebagai sirkuit digital yang melakukan operasi logika pada input yang diberikan kepadanya dan menghasilkan output yang sesuai.

Jika kondisi tertentu benar, maka outputnya berubah menjadi “ON” dan begitu sebaliknya, ketika kondisinya salah maka akan menjadi “OFF”.

Fungsi dari gerbang logika dapat ditunjukkan dengan tabel kebenaran atau truth table. Tabel kebenaran ini menampilkan semua kemungkinan kombinasi input. Kolom terakhir pada setiap baris menunjukkan nilai output yang sesuai. Sejumlah input yang diberikan akan menghasilkan satu output dengan delay waktu.

Input dan Output pada gerbang logika hanya memiliki 2 level. Kedua level tersebut pada umumnya dapat dilambangkan dengan :

• HIGH (tinggi) dan LOW (rendah)
• TRUE (benar) dan FALSE (salah)
• ON (Hidup) dan OFF (Mati)
• 1 dan 0

Jenis-jenis Gerbang Logika

Gerbang logika adalah gerbang digital yang memungkinkan dalam transfer data. Gerbang logika  menggunakan logika untuk menentukan lulus atau tidaknya suatu signal. 

Selain itu, gerbang logika berguna untuk mengatur aliran informasi berdasarkan seperangkat aturan.

Berikut adalah beberapa gerbang logika yang digunakan pada arsitektur komputer:

1. AND
2. OR
3. NOT
4. NOR
5. NAND
6. XOR
7. XNOR

Secara umum, gerbang logika di atas dapat dikelompokkan menjadi gerbang logika dasar, gerbang logika universal, dan gerbang logika eksklusif.

Gerbang Logika Dasar

Gerbang logika dasar adalah jenis gerbang logika utama. Gerbang logika ini menjadi dasar dari beberapa jenis gerbang logika lainnya. 

Adapun yang termasuk dalam gerbang logika dasar yaitu AND, OR, dan NOT.

1. Gerbang Logika AND

Sumber: geeksforgeeks.org

Pada gerbang logika AND memiliki output tunggal dan dua atau lebih input atau masukan.

• Ketika semua input adalah 1, maka keluaran/output pada gerbang logika ini adalah 1.
• Logika boolean gerbang AND adalah Y=A.B jika ada dua input A dan B.

Simbol dan tabel kebenaran gerbang logika AND adalah sebagai berikut:

Input		Output
A	B	A AND B
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

Kesimpulan: gerbang logika AND outputnya tinggi ketika semua inputnya tinggi.

2. Gerbang Logika OR

Sumber: geeksforgeeks.org

Dua atau lebih input dan satu output dapat digunakan pada gerbang logika OR.

• Logika pada gerbang ini adalah jika setidaknya salah satu inputnya adalah 1, maka outputnya akan menjadi 1.
• Output gerbang OR akan diberikan oleh prosedur matematika berikut jika ada dua input A dan B: Y=A+B

Input		Output
A	B	A OR B
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	1

Kesimpulan: pada gerbang logika OR, outputnya tinggi ketika salah satu atau kedua inputnya tinggi.

3. Gerbang Logika NOT

Sumber: geeksforgeeks.org

Gerbang logika NOT adalah dasar gerbang satu-input, satu-output.

• Ketika input bernilai 1, maka output bernilai 0 dan sebaliknya. Gerbang logika NOT juga biasa disebut sebagai invertor karena fungsinya membalikkan input sebagai nilai keluarannya.
• Jika hanya satu input A, output dapat dihitung menggunakan persamaan boolean Y=A’.

Input	Output
A	Not A
0	1
1	0

Kesimpulan: Gerbang logika NOT, seperti yang ditunjukkan pada tabel kebenaran, membalikkan sinyal input.

Gerbang Logika Universal

Untuk menyelesaikan proses logika tertentu, gerbang universal dibuat dengan menggabungkan dua atau lebih gerbang dasar. Gerbang logika universal terdiri dari gerbang NOR dan NAND.

1. Gerbang logika NOR

Sumber: geeksforgeeks.org

Gerbang logika NOR, kadang-kadang dikenal sebagai gerbang logika NOT-OR, terdiri dari gerbang logika OR dan diikuti dengan gerbang logika NOT.

• Output gerbang ini adalah 1 hanya ketika semua inputnya adalah 0. Atau, ketika semua input rendah, outputnya tinggi.
• Pernyataan boolean untuk gerbang logika NOR adalah Y=(A+B)’ jika terdapat masukan A dan B.

Input		Output
A	B	A NOR B
0	0	1
0	1	0
1	0	0
1	1	0

Kesimpulan: dengan membandingkan tabel kebenaran, kita dapat mengamati bahwa output dari gerbang logika NOR adalah kebalikan dari gerbang logika OR

2. Gerbang Logika NAND

Sumber: geeksforgeeks.org

Gerbang logika NAND, yang biasa dikenal sebagai gerbang logika NOT-AND, pada dasarnya gerbang logika NOT yang diikuti oleh gerbang logika AND.

• Output gerbang ini adalah 1 hanya jika tidak ada input yang bernilai 1. Atau, ketika semua input tidak tinggi dan setidaknya satu rendah, maka outputnya tinggi.
• Jika ada dua input A dan B, ekspresi Boolean untuk gerbang logika NAND adalah Y=(A.B)’.

Input		Output
A	B	A NAND B
0	0	1
0	1	1
1	0	1
1	1	0

Kesimpulan: dengan membandingkan tabel kebenarannya, kita dapat mengamati bahwa outputnya adalah kebalikan dari gerbang logika AND

Gerbang Logika Eksklusif

Gerbang logika eksklusif merupakan jenis pengembangan dari gerbang logika universal yang sifatnya eksklusif terhadap input. Gerbang logika eksklusif terdiri dari XOR dan XNOR 

1. Gerbang Logika XOR

Sumber: geeksforgeeks.org

Gerbang Exclusive-OR atau Ex-OR adalah gerbang logika digital yang memiliki karakteristik sebagai berikut

• Jika salah satu inputnya tinggi, maka output gerbang logika XOR adalah tinggi. Jika kedua input tinggi, maka outputnya rendah. Jika kedua input rendah, maka outputnya rendah.
• Persamaan boolean untuk gerbang logika XOR adalah Y=A’.B+A.B’ jika terdapat dua input A dan B. 

Input		Output
A	B	A XOR B
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	0

Kesimpulan: Output dari XOR adalah tinggi jika dan hanya jika salah satu inputnya tinggi. Dengan kata lain, kedua input harus berbeda.

2. Gerbang Logika XNOR

Sumber: geeksforgeeks.org

Gerbang logika Exlusive-NOR atau EX-NOR adalah gerbang logika digital yang memiliki karakteristik berikut

• Jika kedua input tinggi, maka output dari gerbang logika XNOR adalah tinggi. Jika kedua input rendah, maka outputnya rendah. Jika salah satu input rendah, maka outputnya juga rendah.
• Jika terdapat dua masukan A dan B, maka persamaan boolean gerbang logika XNOR adalah Y=A.B+A’B’.

Input		Output
A	B	A XNOR B
0	0	1
0	1	0
1	0	0
1	1	1

Kesimpulan: Output dari XNOR adalah kebalikan dari XOR, dimana bernilai tinggi jika dan hanya jika kedua inputnya bernilai sama. Dengan kata lain, jika salah satu inputnya berbeda maka outputnya bernilai rendah.

Cara Kerja Gerbang Logika

Istilah gerbang logika sebenarnya terinspirasi dari sebuah gerbang pada dunia nyata. Fungsinya adalah untuk mengontrol aliran atau laju suatu hal.

Misalnya di sebuah peternakan, gerbang dapat digunakan untuk mengontrol 'aliran' domba atau kambing antar kandang. Dalam hal ini, pintu gerbang berupa pembatas fisik yang posisinya dikendalikan oleh seorang peternak. Peternak membuat keputusan terhadap masuk keluarnya hewan.

Contoh lain adalah gerbang parkir, dimana gerbang ini digunakan untuk mengendalikan laju keluar masuknya kendaraan yang hendak parkir maupun yang ingin keluar dari lokasi parkir.

Di komputer, gerbang mengontrol aliran arus listrik melalui sirkuit. Gerbang terdiri dari transistor yang dipilih dari dua tipe dasar (transistor PMOS dan NMOS) yang banyak ditemukan dalam teknologi CMOS (Complementary metal-oxide semiconductor). 

Arus yang mengalir melalui gerbang membentuk tegangan pada titik tertentu dalam rangkaian. Tegangan ini mewakili satu 'bit' informasi. Tegangan bisa tinggi (mewakili nilai '1') atau rendah (mewakili nilai '0')

Untuk membuat nilai 1 (tegangan tinggi) pada rangkaian, aliran arus diarahkan ke rangkaian dengan 'menghidupkan' transistor PMOS yang terhubung antara rangkaian dan tegangan suplai positif. 

Tegangan suplai biasanya merupakan nilai standar industri seperti 3,3 atau 5,0 volt. Dengan interval waktu yang sangat singkat, gerbang logika mengalihkan arus supaya mengalir melalui transistor PMOS dari catu daya positif ke rangkaian.

Untuk membuat tegangan rendah (bernilai 0), aliran arus diarahkan menjauh dari rangkaian melalui jenis transistor (NMOS) yang terhubung antara rangkaian dan tegangan suplai negatif, atau ground listrik. 

Dalam kedua kasus di atas, aliran arus menghasilkan perubahan tegangan rangkaian, dan tegangan rangkaian mewakili beberapa informasi. Jadi, ketika gerbang mengendalikan aliran arus, sebenarnya mengendalikan aliran informasi.

Kecanggihan komputasi pada komputer sebenarnya berlangsung pada proses gerbang logika ini. Output dari gerbang logika adalah sebuah tegangan listrik, yang pada gilirannya dapat digunakan untuk mengontrol gerbang lain.

Oleh karena itu, chip komputer dapat dirancang untuk membuat keputusan kompleks mengenai aliran informasi di dalamnya. Kemampuan ini memungkinkan sistem canggih dibuat dengan menghubungkan sebanyak mungkin gerbang logika dalam satu chip.

Pada intinya semakin canggih suatu mesin maka rangkaian gerbang logika yang digunakan semakin banyak, bisa berupa ribuan, jutaan, hingga miliaran rangkaian yang saling terhubung.

Contoh kasus

Untuk memahami prinsip kerja gerbang logika, mari kita perhatikan contoh sistem penerangan jalan umum.

Gambar dibawah ini menunjukkan diagram rangkaian sistem penerangan jalan umum, dimana terdiri dari gerbang logika (Gerbang NOT dan OR), saklar dan sensor cahaya. Kondisi operasional agar lampu jalan dapat berfungsi adalah sebagai berikut:

• Switch/sakelar: ON = 1, OFF = 0 
• Sensor cahaya: GELAP = 0, TERANG = 1
• Lampu jalan: ON = 1, OFF = 0

Berdasarkan diatas, kita dapat menyiapkan tabel kebenaran yang ditunjukkan pada gambar dibawah ini.

Sumber: electricalfundablog.com

Fungsi dan Kegunaan Gerbang Logika

Berikut adalah beberapa fungsi dan kegunaan dari gerbang logika

1. Gerbang logika digunakan dalam berbagai teknologi. Terutama pada komponen chip (IC), yang merupakan komponen utama dari komputer, telepon, laptop, dan perangkat elektronik lainnya.
2. Gerbang logika dapat dikombinasikan dalam berbagai cara, dan jutaan kombinasi ini diperlukan untuk membuat gadget, satelit, dan bahkan robot terbaru.
3. Kombinasi gerbang logika sederhana juga dapat ditemukan pada alarm maling, buzzer, sakelar, dan lampu jalan. Karena gerbang ini dapat membuat pilihan untuk memulai atau berhenti berdasarkan logika, gerbang ini sering digunakan di berbagai sektor.
4. Gerbang logika juga penting dalam transfer data, perhitungan, dan pemrosesan data. Bahkan logika transistor-transistor dan sirkuit CMOS menggunakan gerbang logika secara ekstensif.

Kelebihan Gerbang Logika

• Operasi Logika dilakukan menggunakan Aljabar Boolean yang membuat desain rangkaian lebih ekonomis dan sederhana. 
• Logika '1' dan Logika '0' dapat dengan mudah dibedakan.

Kekurangan Gerbang Logika

• Tegangan operasi terbatas.
• Waktu delay terjadi antara input dan output.

Cara Mudah untuk Belajar Gerbang Logika

Adapun cara mudah untuk membedakan masing-masing gerbang logika, dapat dilihat pada daftar di bawah ini

• Gerbang AND : Jika kedua input HIGH maka outputnya HIGH
• Gerbang OR : Jika salah satu atau kedua input HIGH, maka outputnya HIGH
• Gerbang NOR : Jika kedua inputnya LOW, maka outputnya HIGH
• Gerbang NAND : Jika salah satu atau kedua input OFF, maka outputnya HIGH. Atau kebalikan dari gerbang AND
• Gerbang XOR : Jika salah satu input HIGH, maka outputnya HIGH. Dan jika kedua input sama, maka outputnya LOW
• Gerbang XNOR : Jika hanya satu input HIGH, maka outputnya LOW. Dan jika kedua input sama, maka outputnya HIGH. Kebalikan dari gerbang XOR.

Penutup

Kita sudah sampai di penghujung artikel ini. Terima kasih telah membaca tulisan ini dengan tuntas. Semoga paparan di atas dapat membuat Anda lebih mudah memahami berbagai jenis gerbang logika.

Apabila Anda tertarik dengan artikel serupa, Anda bisa mengunjungi rubrik Sistem Digital atau membaca tulisan lainnya mengenai "Jenis-jenis algoritma pemrograman"

Salam!

Referensi:

• https://www.geeksforgeeks.org/logic-gates-definition-types-uses/
• https://electricalfundablog.com/logic-gates-types-working-principle/
• https://www.scientificamerican.com/article/how-does-a-logic-gate-in/

Berbagi :