Digitaler Puffer Tutorial

In einem früheren Tutorial haben wir uns das digitale Not-Gate angesehen, das allgemein als Inverter bezeichnet wird, und wir haben gesehen, dass der Ausgangszustand des NOT-Gates das Komplement, das Gegenteil oder die Umkehrung seines Eingangssignals ist.

So ist zum Beispiel, wenn der einzelne Eingang des NOT-Gates „HIGH“ ist, sein Ausgangszustand NICHT „HIGH“. Wenn sein Eingangssignal „LOW“ ist, wird sein Ausgangszustand NICHT „LOW“ sein, mit anderen Worten, es „invertiert“ sein Eingangssignal, daher der Name „Inverter“.

Aber manchmal müssen wir in digitalen elektronischen Schaltungen Logikgatter voneinander isolieren oder sie dazu bringen, höhere als normale Lasten zu steuern oder zu schalten, wie z. B. Relais, Solenoide und Lampen, ohne dass eine Inversion erforderlich ist. Eine Art von Logikgatter mit einem Eingang, das uns genau das ermöglicht, wird als digitaler Puffer bezeichnet.

Im Gegensatz zum Inverter oder NOT-Gatter mit einem Eingang und einem Ausgang, wie z. B. dem TTL 7404, das sein Eingangssignal am Ausgang invertiert oder ergänzt, führt der „Puffer“ keine Invertierung oder Entscheidungsfindung durch (wie Logikgatter mit zwei oder mehr Eingängen), sondern erzeugt einen Ausgang, der genau dem seines Eingangs entspricht. Mit anderen Worten, ein digitaler Puffer tut nichts, da sein Ausgangszustand gleich seinem Eingangszustand ist.

Dann können digitale Puffer als Idempotente Gatter unter Anwendung des Boole’schen Idempotentengesetzes betrachtet werden, da sich der Wert eines Eingangs nicht ändert, wenn er dieses Gerät durchläuft. Der digitale Puffer ist also ein „nicht-invertierendes“ Gerät und liefert uns daher den booleschen Ausdruck von: Q = A.

Then we can define the logical operation of a single input digital buffer as being:

„Q is true, only when A is true“

In other words, the output ( Q ) state of a buffer is only true (logic „1“) when its input A is true, otherwise its output is false (logic „0“).

The Single Input Digital Buffer

Symbol	Truth Table
The Digital Buffer	A	Q
	0	0
	1	1
Boolean Expression Q = A	Read as: A gives Q

The Digital Buffer can also be made by connecting together two NOT gates as shown below. Das erste Gatter „invertiert“ das Eingangssignal A und das zweite Gatter „re-invertiert“ es wieder auf seinen ursprünglichen Pegel, wodurch eine doppelte Invertierung des Eingangssignals erfolgt.

Doppelinvertierung mit NOT-Gattern

Sie denken vielleicht, was ist der Sinn eines digitalen Puffers, wenn er sein Eingangssignal nicht invertiert oder in irgendeiner Weise verändert oder logische Entscheidungen oder Operationen durchführt, wie es die UND- oder ODER-Gatter tun, warum dann nicht einfach ein Stück Draht verwenden, und das ist ein guter Punkt. Ein nicht-invertierender digitaler Puffer hat jedoch viele Verwendungsmöglichkeiten in der digitalen Elektronik, wobei einer seiner Hauptvorteile darin besteht, dass er eine digitale Verstärkung bietet.

Digitale Puffer können verwendet werden, um andere Gatter oder Schaltungsstufen voneinander zu isolieren und zu verhindern, dass die Impedanz einer Schaltung die Impedanz einer anderen beeinflusst. Ein digitaler Puffer kann auch zur Ansteuerung von Hochstromlasten wie Transistorschaltern verwendet werden, da deren Ausgangsansteuerungsfähigkeit im Allgemeinen viel höher ist als die Anforderungen an das Eingangssignal. Mit anderen Worten: Puffer können zur Leistungsverstärkung eines digitalen Signals verwendet werden, da sie eine hohe „Fan-out“-Fähigkeit haben.

Beispiel für den Fan-Out eines Digitalpuffers

Der Fan-Out-Parameter eines Puffers (oder eines beliebigen digitalen ICs) ist die Ausgangstreiberfähigkeit oder Ausgangsstromfähigkeit eines Logikgatters, die eine größere Leistungsverstärkung des Eingangssignals ermöglicht. Es kann notwendig sein, mehr als nur ein Logikgatter an den Ausgang eines anderen Gatters anzuschließen oder eine Hochstromlast wie eine LED zu schalten, dann ermöglicht uns ein Puffer genau das.

Generell wird der Ausgang eines Logikgatters mit den Eingängen anderer Gatter verbunden. Jeder Eingang benötigt eine bestimmte Strommenge vom Gatterausgang, um den Zustand zu ändern, so dass jede zusätzliche Gatterverbindung die Last des Gatters erhöht. Der Fan-Out ist also die Anzahl der parallelen Lasten, die gleichzeitig von einem digitalen Puffer eines Logikgatters gesteuert werden können. Als Stromquelle kann ein Puffer einen hohen Fan-Out-Wert von bis zu 20 Gattern derselben Logikfamilie haben.

Wenn ein digitaler Puffer einen hohen Fan-Out-Wert (Stromquelle) hat, muss er auch einen hohen „Fan-In“-Wert (Stromsenke) haben. Die Ausbreitungsverzögerung des Gatters verschlechtert sich jedoch schnell in Abhängigkeit vom Fan-in, so dass Gatter mit einem Fan-in von mehr als 4 vermieden werden sollten.

Dann gibt es eine Grenze für die Anzahl der Eingänge und Ausgänge, die miteinander verbunden werden können, und in Anwendungen, in denen wir Gatter voneinander entkoppeln müssen, können wir einen Tri-State-Puffer oder einen Tri-State-Ausgangstreiber verwenden.

Der „Tri-state Buffer“

Neben dem oben beschriebenen Standard-Digitalpuffer gibt es eine weitere Art von Digitalpufferschaltung, deren Ausgang bei Bedarf „elektronisch“ von der Ausgangsschaltung getrennt werden kann. Diese Art von Puffer ist als 3-State-Puffer oder allgemeiner als Tri-State-Puffer bekannt.

Ein Tri-State-Puffer kann als eingangsgesteuerter Schalter mit einem Ausgang betrachtet werden, der elektronisch durch einen externen „Steuer“- oder „Freigabe“-Signaleingang ( EN ) ein- oder ausgeschaltet werden kann. Dieses Steuersignal kann entweder eine logische „0“ oder eine logische „1“ sein, was dazu führt, dass sich der Tri-State-Puffer in einem Zustand befindet, in dem sein Ausgang normal arbeitet und die erforderliche Leistung erzeugt, oder in einem anderen Zustand, in dem sein Ausgang blockiert oder abgeschaltet ist.

Dann benötigt ein Tri-State-Puffer zwei Eingänge. Der eine ist der Dateneingang und der andere ist der Freigabe- oder Steuereingang, wie dargestellt.

Tri-State-Buffer-Schalter-Äquivalent

Wenn er in seinen dritten Zustand aktiviert wird, deaktiviert er seinen Ausgang oder schaltet ihn aus, so dass ein offener Stromkreis entsteht, der sich weder auf einem logischen „HIGH“ noch auf einem „LOW“ befindet, sondern stattdessen einen Ausgangszustand mit sehr hoher Impedanz, High-Z, oder allgemeiner Hi-Z. Dieser Gerätetyp hat zwei logische Eingänge, „0“ oder „1“, kann aber drei verschiedene Ausgangszustände erzeugen, „0“, „1“ oder „Hi-Z“, weshalb er auch als „Tri“- oder „3-State“-Gerät bezeichnet wird.

Beachte, dass dieser dritte Zustand NICHT einer logischen „0“ oder „1“ entspricht, sondern ein hochohmiger Zustand ist, in dem der Ausgang des Puffers elektrisch vom Rest der Schaltung getrennt ist. As a result, no current is drawn from the supply.

There are four different types of Tri-state Buffer, one set whose output is enabled or disabled by an „Active-HIGH“ control signal producing an inverted or non-inverted output, and another set whose buffer output is controlled by an „Active-LOW“ control signal producing an inverted or non-inverted output as shown below.

Active „HIGH“ Tri-state Buffer

Symbol	Truth Table
Tri-state Buffer	Enable	IN	OUT
	0	0	Hi-Z
	0	1	Hi-Z
	1	0	0
	1	1	1
Read as Output = Input if Enable is equal to „1“

An Active-high Tri-state Buffer such as the 74LS241 octal buffer, is activated when a logic level „1“ is applied to its „enable“ control line and the data passes through from its input to its output. When the enable control line is at logic level „0“, the buffer output is disabled and a high impedance condition, Hi-Z is present on the output.

An active-high tri-state buffer can also have an inverting output as well as its high impedance state creating an active-high tri-state inverting buffer as shown.

Active „HIGH“ Inverting Tri-state Buffer

Symbol	Truth Table
Inverting Tri-state Buffer	Enable	IN	OUT
	0	0	Hi-Z
	0	1	Hi-Z
	1	0	1
	1	1	0
Read as Output = Inverted Input if Enable equals „1“

The output of an active-high inverting tri-state buffer, such as the 74LS240 octal buffer, is activated when a logic level „1“ is applied to its „enable“ control line. The data at the input is passes through to the output but is inverted producing a complement of the input. When the enable line is LOW at logic level „0“, the buffer output is disabled and at a high impedance condition, Hi-Z.

The same two tri-state buffers can also be implemented with an active-low enable input as shown.

Active „LOW“ Tri-state Buffer

Symbol	Truth Table
Tri-state Buffer	Enable	IN	OUT
	0	0	0
	0	1	1
	1	0	Hi-Z
	1	1	Hi-Z
Read as Output = Input if Enable is NOT equal to „1“

An Active-low Tri-state Buffer is the opposite to the above, and is activated when a logic level „0“ is applied to its „enable“ control line. The data passes through from its input to its output. When the enable control line is at logic level „1“, the buffer output is disabled and a high impedance condition, Hi-Z is present on the output.

Active „LOW“ Inverting Tri-state Buffer

Symbol	Truth Table
Inverting Tri-state Buffer	Enable	IN	OUT
	0	0	1
	0	1	0
	1	0	Hi-Z
	1	1	Hi-Z
Read as Output = Inverted Input if Enable is NOT equal to „1“

An Active-low Inverting Tri-state Buffer ist das Gegenteil von oben, da sein Ausgang aktiviert oder deaktiviert wird, wenn ein logischer Pegel „0“ an seine „Enable“-Steuerleitung angelegt wird. Wenn ein Puffer durch eine logische „0“ aktiviert wird, ist der Ausgang das Komplement seines Eingangs. Liegt an der Freigabeleitung der logische Pegel „1“ an, so ist der Pufferausgang deaktiviert und am Ausgang liegt ein hochohmiger Zustand (Hi-Z) vor.

Tri-state Buffer Control

Wir haben oben gesehen, dass ein Puffer eine Spannungs- oder Stromverstärkung innerhalb einer digitalen Schaltung bieten kann, und er kann auch zur Invertierung des Eingangssignals verwendet werden. Wir haben auch gesehen, dass digitale Puffer in der Tri-State-Form erhältlich sind, die es ermöglicht, den Ausgang effektiv abzuschalten und einen hochohmigen Zustand (Hi-Z) zu erzeugen, der einem offenen Stromkreis entspricht.

Der Tri-State-Puffer wird in vielen elektronischen und Mikroprozessor-Schaltungen verwendet, da er es ermöglicht, mehrere logische Geräte an dieselbe Leitung oder denselben Bus anzuschließen, ohne dass es zu Schäden oder Datenverlusten kommt. Nehmen wir zum Beispiel an, wir haben eine Datenleitung oder einen Datenbus, an den ein Speicher, Peripheriegeräte, E/A oder eine CPU angeschlossen sind. Jedes dieser Geräte ist in der Lage, auf diesem Datenbus gleichzeitig Daten zu senden oder zu empfangen, wodurch ein so genannter Konflikt entsteht.

Konflikte treten auf, wenn mehrere Geräte miteinander verbunden sind, weil einige ihren Ausgang hoch und andere niedrig schalten wollen. Wenn diese Geräte anfangen, gleichzeitig Daten zu senden oder zu empfangen, kann ein Kurzschluss entstehen, wenn ein Gerät eine logische „1“, also die Versorgungsspannung, an den Bus ausgibt, während ein anderes auf den logischen Pegel „0“ oder auf Masse eingestellt ist, was zu einem Kurzschluss und möglicherweise zu Schäden an den Geräten sowie zu Datenverlusten führt.

Digitale Informationen werden über diese Datenbusse oder Datenautobahnen entweder seriell, ein Bit nach dem anderen, gesendet, oder es können bis zu acht (oder mehr) Drähte zusammen in einer parallelen Form wie in einem Mikroprozessor-Datenbus sein, so dass mehrere Tri-State-Puffer an dieselbe Datenautobahn angeschlossen werden können, ohne dass es zu Schäden oder Datenverlusten kommt, wie gezeigt.

Tri-State-Buffer-Datenbus-Steuerung

Dann kann der Tri-State-Buffer dazu verwendet werden, Geräte und Schaltkreise vom Datenbus und voneinander zu isolieren. Wenn die Ausgänge mehrerer Tri-State-Puffer elektrisch miteinander verbunden sind, werden Decoder verwendet, die es ermöglichen, dass immer nur ein Satz Tri-State-Puffer aktiv ist, während sich die anderen Geräte in ihrem hochohmigen Zustand befinden. Ein Beispiel für Tri-State-Buffer, die an einen 4-Draht-Datenbus angeschlossen sind, ist unten dargestellt.

Steuerung von Tri-State-Puffern

Dieses einfache Beispiel zeigt, wie ein binärer Decoder verwendet werden kann, um eine Reihe von Tri-State-Puffern entweder einzeln oder zusammen in Datensätzen zu steuern. Der Decoder wählt den entsprechenden Ausgang aus, der seinem binären Eingang entspricht, so dass nur ein Datensatz entweder eine logische „1“ oder eine logische „0“ auf den Bus geben kann. Zu diesem Zeitpunkt sind alle anderen Tri-State-Ausgänge, die mit denselben Busleitungen verbunden sind, deaktiviert, indem sie in ihren hochohmigen Hi-Z-Zustand versetzt werden.

Dann können Daten von Datensatz „A“ nur dann auf den gemeinsamen Bus übertragen werden, wenn ein aktives HIGH-Signal über die Enable-Leitung ENA an die Tri-State-Puffer angelegt wird. Zu allen anderen Zeiten stellt er einen hochohmigen Zustand dar, der effektiv vom Datenbus isoliert ist.

Gleichermaßen gibt der Datensatz „B“ nur dann Daten an den Bus weiter, wenn ein Enable-Signal über ENB anliegt. Ein gutes Beispiel für Tri-State-Buffer, die zusammengeschaltet werden, um Datensätze zu steuern, ist der TTL 74244 Octal Buffer.

Es ist auch möglich, Tri-State-Buffer „back-to-back“ zu verbinden, um eine so genannte bi-direktionale Buffer-Schaltung zu erzeugen, bei der ein „Active-High-Buffer“ parallel, aber umgekehrt mit einem „Active-Low-Buffer“ verbunden ist.

Hier wirkt der „Freigabe“-Steuereingang eher wie ein richtungsweisendes Steuersignal, das bewirkt, dass die Daten sowohl „von“ als auch „zu“ der gleichen Datenbusleitung gelesen werden. Bei dieser Art von Anwendung kann ein Tri-State-Puffer mit bidirektionaler Schaltfähigkeit wie der TTL 74245 verwendet werden.

Wir haben gesehen, dass ein Tri-State-Puffer ein nicht invertierendes Bauelement ist, das einen Ausgang (der dem Eingang entspricht) nur dann liefert, wenn der Eingang des Enable-Pins (EN) HIGH ist, andernfalls geht der Ausgang des Puffers in den Zustand hoher Impedanz (Hi-Z) über. Tri-State-Ausgänge werden in vielen integrierten Schaltungen und digitalen Systemen verwendet, nicht nur in digitalen Tri-State-Puffern.

Sowohl digitale Puffer als auch Tri-State-Puffer können zur Spannungs- oder Stromverstärkung verwendet werden, um viel höhere Lasten wie Relais, Lampen oder Leistungstransistoren zu steuern als mit herkömmlichen Logikgattern. Ein Puffer kann aber auch zur elektrischen Isolierung zwischen zwei oder mehreren Schaltkreisen verwendet werden.

Wir haben gesehen, dass ein Datenbus entstehen kann, wenn mehrere Tristate-Bausteine miteinander verbunden werden, und solange jeweils nur einer ausgewählt wird, gibt es kein Problem. Tri-state buses allow several digital devices to input and output data on the same data bus by using I/O signals and address decoding.

Tri-state Buffers are available in integrated form as quad, hex or octal buffer/drivers in both uni-directional and bi-directional forms, with the more common being the TTL 74240, the TTL 74244 and the TTL 74245 as shown.

Commonly available Digital Buffer and Tri-state Buffer IC’s include: