Buffer-ele digitale și cele cu trei stări pot asigura amplificarea într-un circuit digital pentru a comanda sarcini de ieșire.

Într-un tutorial anterior ne-am uitat la poarta digitală NOT numită în mod obișnuit inversoare și am văzut că starea de ieșire a porților NOT este complementul, opusul sau inversul semnalului său de intrare.

De exemplu, atunci când singura intrare a porții NOT este "HIGH", starea de ieșire NU va fi "HIGH". Când semnalul său de intrare este "LOW", starea de ieșire NU va fi "LOW", cu alte cuvinte "inversează" semnalul său de intrare, de aici și numele "Inversor".

Dar, uneori, în circuitele electronice digitale trebuie să izolați porțile logice una de cealaltă sau să le acționăm sau să comutăm mai mult decât sarcinile normale, cum ar fi releele, solenoizii și lămpile, fără a fi nevoie de inversiune. Un tip de poartă logică cu o singură intrare care ne permite să facem asta este așa numitul Buffer digital.

Spre deosebire de inversorul sau poarta NOT cu o singură intrare, o singură ieșire, cum ar fi TTL 7404 care inversează sau complementează semnalul de intrare la ieșire, "Buffer" nu efectuează niciun fel de inversiune sau de luare a deciziilor (cum ar fi porți logice cu două sau mai multe intrări) dar produce o ieșire care se potrivește exact cu cea a intrării sale. Cu alte cuvinte, un buffer digital nu face nimic, deoarece starea de ieșire este egală cu starea sa de intrare.

Atunci, buffer-ele digitale pot fi considerate ca porți Idempotente aplicând Legea Idempotenței a lui Boole, deoarece atunci când o intrare trece prin acest dispozitiv, valoarea sa nu se modifică. Deci buffer-ul digital este un dispozitiv „ne-inversor“ și, prin urmare, ne va da expresia booleană: Q = A.

Atunci, putem defini funcționarea logică a unui buffer digital cu o singură intrare ca fiind:

"Q este adevărat, numai atunci când A este adevărat"

Cu alte cuvinte, starea de ieșire (Q) a unui buffer este adevărată ("1" logic) numai atunci când intrarea lui A este adevărată, altfel ieșirea lui este falsă ("0" logic).

Bufferul digital cu o singură intrare

Buffer digital poate fi făcută prin conectarea a două porți NOT așa cum se arată mai jos. Primul va "inversa" semnalul de intrare A, iar cel de-al doilea va "re-inversa" înapoi la nivelul inițial efectuând o dublă inversare a intrării.

Inversare dublă folosind porți NOT

S-ar putea să vă gândiți "care este scopul unui Buffer digital?". Dacă nu inversează sau nu modifică semnalul său de intrare în nici un fel sau nu ia decizii sau operații logice cum ar fi porțile AND sau OR, atunci de ce să nu folosiți doar o bucată de sârmă în loc și acesta este un punct bun. Dar un Buffer Digital ne-inversor are multe utilizări în electronica digitală, unul dintre principalele sale avantaje fiind acela că furnizează amplificare digitală.

Buffer-ele digitale pot fi utilizate pentru a izola alte porți sau etaje de circuit unul față de celălalt, împiedicând impedanța unui circuit de a afecta impedanța altuia. Un buffer digital poate fi, de asemenea, utilizat pentru a comanda sarcini de curent ridicat, cum ar fi comutatoare cu tranzistoare, deoarece capacitatea lor de a comanda ieșirea este în general mult mai mare decât cerințele semnalului de intrare. Cu alte cuvinte, buffer-ele pot fi utilizate pentru amplificarea puterii unui semnal digital, deoarece acestea au ceea ce se numește o capacitate mare de "fan-out".

Exemplu de fun-out pentru buffer digital

Parametrul fan-out al unui buffer (sau orice IC digital) este capabilitatea de comandă a ieșirii sau capacitatea curentului de ieșire a unei porți logice, oferind o amplificare mai mare a puterii semnalului de intrare. Poate fi necesar să conectați mai mult decât o singură poartă logică la ieșirea altei sau să comutați o sarcină de curent ridicată, cum ar fi un LED, atunci un Buffer ne va permite să facem acest lucru.

În general, ieșirea unei porți logice este, de obicei, conectată la intrările altor porți. Fiecare intrare necesită o anumită cantitate de curent de la ieșirea porții pentru a schimba starea, astfel încât fiecare conectare de poartă suplimentară se adaugă la sarcina porții. Deci, fan-out este numărul de sarcini paralele, care pot fi comandate simultan de un buffer digital, de poartă logică. Acționând ca o sursă de curent, un buffer poate avea o evaluare ridicată de fan-out de până la 20 de porți din aceeași familie logică.

Dacă un buffer digital are o evaluare de fun-out ridicată (sursă de curent), acesta trebuie să aibă, de asemenea, o valoare ridicată de fun-in (absorbție de curent). Dar, întârzierea de propagare a porții se deteriorează rapid, în funcție de fun-in, astfel încât porțile cu un fun-in mai mare de 4 ar trebui să fie evitate.

Deci, există o limită a numărului de intrări și ieșiri care pot fi conectate împreună, iar în aplicațiile în care trebuie să se decupleze porți una de cealaltă, putem folosi un Tri-state Buffer sau driver de ieșire cu trei stări.

“Tri-state Buffer” "Bufferul cu trei stări"

Pe lângă Buffer-ul digital standard, văzut mai sus, există un alt tip de circuit buffer digital a cărui ieșire poate fi deconectată "electronic" de la circuitele sale de ieșire, atunci când este necesar. Acest tip de buffer este cunoscut ca un buffer cu 3 stări sau mai frecvent Tri-state Buffer.

Un Tri-State Buffer poate fi considerat ca un comutator controlat de intrare, cu o ieșire care poate fi comutată electronic "ON" sau "OFF" cu ajutorul unei intrări de semnal extern "Control" sau "Enable" (EN). Acest semnal de control poate fi fie un semnal de tip "0" logic, sau "1" logic, rezultând că buffer-ul Tri-state este într-o stare care să-i permită ieșirii să funcționeze în mod normal, producând ieșirea necesară sau într-o altă stare, când ieșirea sa este blocată sau deconectată.

Atunci, un buffer tri-state necesită două intrări. Una fiind intrarea datelor, iar cealaltă fiind intrarea de activare sau control, așa cum se arată.

Când este activat în cea de-a treia sa stare, se dezactivează sau se comută "OFF" ieșirea sa, producând o stare de circuit deschis care nu este nici la HIGH logic, nici LOW logic, ci oferă o stare de ieșire cu impedanță foarte ridicată, High-Z sau mai frecvent Hi-Z. Atunci, acest tip de dispozitiv are două intrări de stare logică, "0" sau "1", dar poate produce trei stări diferite de ieșire, "0", "1" sau " Hi-Z" care este ceea ce este numit dispozitiv "3-stări".

Rețineți că această a treia stare NU este egală cu un nivel logic "0" sau "1", dar este o stare de impedanță înaltă în care ieșirea buffer-ului este deconectată electric de restul circuitului. În consecință, nu se consumă curent din alimentare.

Există patru tipuri diferite de Tri-state Buffer, un set a cărui ieșire este activată sau dezactivată de către un semnal de control „Active-HIGH“, producând o ieșire inversată sau ne-inversată, și un alt set a cărui ieșire buffer este controlată de un „Active-LOW" producând o ieșire inversată sau ne-inversată, după cum se arată mai jos.

Buffer Tri-state activ "HIGH"

Un Tri-state Buffer active-high, cum ar fi buffer-ul octal 74LS241, este activat când un nivel logic "1" este aplicat liniei sale de control "enable" și datele trec de la intrarea lui la ieșirea lui. Atunci când linia de comandă a activării este la nivelul logic "0", ieșirea buffer-ului este dezactivată și o condiție de înaltă impedanță, Hi-Z este prezentă la ieșire.

Un tri-state buffer active-high poate avea de asemenea o ieșire inversoare, precum și starea sa Hi-Z, creând un tri-state buffer de inversare active-high, așa cum se arată.

Tri-state Buffer inversor activ "HIGH"

Ieșirea unui buffer trei-stări inversor active-high, cum ar fi buffer-ul octal 74LS240, este activată atunci când un nivel logic "1" este aplicat liniei de control "enable". Datele de la intrare sunt trecute la ieșire, dar sunt inversate, producând un complement al intrării. Când linia de activare este LOW, la nivel logic "0", ieșirea buffer-ului este dezactivată și la o condiție de înaltă impedanță, Hi-Z.

Aceleași două buffer-e cu trei stări pot fi implementate cu o intrare "enable" active-low, după cum se arată.

Tri-state Buffer active-"LOW"

Un Tri-state Buffer Active-low este opus celui de mai sus și este activat când un nivel logic "0" este aplicat liniei de control "enable". Datele trec de la intrare la ieșire. Atunci când linia de control enable este la nivelul logic "1", ieșirea buffer-ului este dezactivată și o condiție de impedanță ridicată, Hi-Z este prezentă la ieșire.

Tri-state Buffer inversor active-"LOW"

Un Tri-state Buffer Invertor active-low este opus celui de mai sus, deoarece ieșirea acestuia este activată sau dezactivată atunci când un nivel logic "0" este aplicat liniei sale de control "enable". Când un buffer este activat de un "0" logic, ieșirea este complementul intrării sale. Atunci când linia de control a activării este la nivel logic "1", ieșirea buffer-ului este dezactivată și o condiție de impedanță ridicată, Hi-Z este prezentă la ieșire.

Controlul buffer-ului cu trei stări

Am văzut mai sus că un tampon poate asigura amplificarea de tensiune sau curent într-un circuit digital și poate fi, de asemenea, utilizat pentru a inversa semnalul de intrare. De asemenea, am văzut că buffer-ele digitale sunt disponibile în forma tri-state care permite ieșirea să fie comutată-off în mod eficient, producând o stare de înaltă impedanță (Hi-Z) echivalentă cu un circuit deschis.

Tri-state Buffer este utilizat în multe circuite electronice și microprocesoare, deoarece acestea permit să fie conectate mai multe dispozitive logice la aceeași magistrală, fără deteriorarea sau pierderea de date. De exemplu, presupunem că avem o linie de date sau o magistrală de date cu unele memorii, periferice, I/O sau un procesor conectat la aceasta. Fiecare dintre aceste dispozitive este capabil să transmită sau să primească date unul la celălalt pe această singură magistrală de date, creând în același timp ceea ce se numește conflict.

Conflictul apare atunci când mai multe dispozitive sunt conectate împreună deoarece unele doresc să-și comande ieșirea High iar unele Low. Dacă aceste dispozitive încep să trimită sau să primească date în același timp poate apărea un scurtcircuit atunci când un dispozitiv emite pe magistrală un "1" logic, tensiunea de alimentare, în timp ce altul este setat la nivelul logic "0" sau la masă, rezultând o stare de scurtcircuit și eventual deteriorarea dispozitivelor, precum și pierderea datelor.

Informațiile digitale sunt transmise pe aceste magistrale de date sau autostrăzi de date, fie serial, câte un bit la un moment dat, fie pot fi până la opt (sau mai multe) fire împreună într-o formă paralelă, cum ar fi într-o magistrală de date cu microprocesor, permițând multiplelor tri-state buffer-e să fie conectate la aceeași autostradă de date fără a deteriora sau a pierde datele așa cum se arată.

Controlul magistralei de date cu buffer-e în trei stări

Deci, Buffer-ul tri-state poate fi folosit pentru a izola dispozitive și circuite de magistrala de date și unul de celălalt. Dacă ieșirile mai multor Buffer-e Tri-state sunt conectate electric împreună, sunt folosite decodoare pentru a permite ca un singur set de Buffer-e tri-state să fie activ la un moment, în timp ce celelalte dispozitive se află în starea lor de înaltă impedanță. Un exemplu de Buffer-e tri-state conectate la o magistrală de date cu 4 fire este prezentat mai jos.

Control cu Buffer-e Tri-state

Acest exemplu de bază arată modul în care un decodor binar poate fi utilizat pentru a controla un număr de buffer-e tri-state fie individuale, fie împreună în seturi de date. Decodorul selectează ieșirea adecvată care corespunde intrării sale binare, permițând unui singur set de date să treacă fie pe o stare de ieșire logică "1", fie logică "0" pe magistrală. În acest moment, toate celelalte ieșiri tri-state conectate la aceleași linii de magistrală sunt dezactivate prin plasarea în starea Hi-Z de impedanță ridicată.

Deci, datele din setul de date „A“ poate fi transferat la magistrala comună numai atunci când un semnal activ HIGH este aplicat bufferelor tri-state prin linia Enable, ENA. În toate celelalte momente, aceasta reprezintă o condiție de impedanță ridicată, izolată în mod eficient de magistrala de date.

De asemenea, setul de date „B“ trece date la magistrala de semnal doar când este aplicat un semnal enable prin ENB. Un bun exemplu de buffere tri-state conectate împreună pentru a controla seturile de date este TTL 74244 Buffer Octal.

Este, de asemenea, posibilă conectarea buffer-elor Tri-state "back-to-back" pentru a produce ceea ce se numește circuit Buffer bidirecțional cu un "buffer activ High" conectat în paralel, dar invers cu un "buffer activ Low".

Aici, intrarea de control "enable" acționează mai mult ca un semnal de control direcțional care determină ca datele să fie citite "de la", cât și transmise "la" același fir de magistrală de date". În acest tip de aplicație se poate utiliza un Buffer tri-state cu capacitate de comutare bidirecțională, cum ar fi TTL 74245.

Am văzut că un Buffer Tri-state este un dispozitiv ne-inversor care oferă o ieșire (care este aceeași cu intrarea lui) numai atunci când intrarea la pinul Enable (EN) este HIGH, altfel ieșirea buffer-ului intră în impedanță ridicată (Hi-Z). Ieșirile tri-state sunt utilizate în multe circuite integrate și sisteme digitale și nu doar în buffer-e digitale tri-state.

Atât buffer-ele digitale, cât și buffer-ele cu trei stări pot fi utilizate pentru a asigura amplificarea tensiunii sau curentului comandând sarcini mult mai mari, cum ar fi relee, lămpi sau tranzistoare de putere, decât cu porți logice convenționale. Dar un buffer poate fi utilizat și pentru a asigura izolarea electrică între două sau mai multe circuite.

Am văzut că o magistrală de date poate fi creată dacă mai multe dispozitive tri-state sunt conectate împreună și atâta timp cât numai unul este selectat la un moment dat, nu există nici o problemă. Magistralele tri-state permit mai multor dispozitive digitale să introducă și să dea date pe aceeași magistrală de date utilizând semnale I/O și decodarea adreselor.

Bufferele Tri-State sunt disponibile în formă integrată ca buffere/drivere quad, hex sau octale în ambele forme uni-direcționale și bi-direcționale, cele mai frecvente fiind TTL 74240, TTL 74244 și TTL 74245 așa cum se arată.

IC-urile cu Digital Buffer și Tri-state Buffer disponibile în mod obișnuit includ:

TTL Logic Digital Buffers

· 74LS07 Buffer ne-inversor Hex

· 74LS17 Hex Buffer/Driver

· 74LS244 Octal Buffer/Line Driver

· 74LS245 Octal Bidirecțional Buffer

CMOS Logic Digital Buffers

· Buffer ne-inversor CD4050 Hex

· CD4503 Hex Tri-state Buffer

· HEF40244 Tri-state Octal Buffer

Digital Buffer 74LS07

Tri-state Buffer octal 74LS244