En un tutorial anterior vimos la puerta digital Not Gate comúnmente llamada inversor, y vimos que el estado de salida de las puertas NOT es el complemento, opuesto o inverso de su señal de entrada.
Así, por ejemplo, cuando la única entrada de la puerta NOT es «HIGH», su estado de salida NO será «HIGH». Cuando su señal de entrada es «BAJA» su estado de salida NO será «BAJO», es decir, «invierte» su señal de entrada, de ahí el nombre de «Inversor».
Pero a veces en los circuitos electrónicos digitales necesitamos aislar las puertas lógicas entre sí o hacer que accionen o conmuten cargas superiores a las normales, como relés, solenoides y lámparas sin necesidad de inversión. Un tipo de puerta lógica de una sola entrada que nos permite hacer precisamente eso se llama Buffer Digital.
A diferencia de la puerta inversora o NOT de una sola entrada y una sola salida, como la TTL 7404, que invierte o complementa su señal de entrada en la salida, el «Buffer» no realiza ninguna inversión o capacidad de decisión (como las puertas lógicas con dos o más entradas), sino que produce una salida que coincide exactamente con la de su entrada. En otras palabras, un buffer digital no hace nada ya que su estado de salida es igual a su estado de entrada.
Entonces los buffers digitales pueden ser considerados como puertas Idempotentes aplicando la Ley Idempotente de Boole porque cuando una entrada pasa por este dispositivo su valor no cambia. Así que el buffer digital es un dispositivo «no inversor» y por tanto nos dará la expresión booleana de: 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
- Doble inversión usando puertas NOT
- Ejemplo de Fan-out de un buffer digital
- El «Buffer triestado»
- Equivalente del interruptor de búfer de tres estados
- Active «HIGH» Tri-state Buffer
- Active «HIGH» Inverting Tri-state Buffer
- Active «LOW» Tri-state Buffer
- Active «LOW» Inverting Tri-state Buffer
- Control de Buffer de tres estados
- Control del bus de datos de los búferes triestatales
- Control de búferes triestatales
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. La primera «invertirá» la señal de entrada A y la segunda la «reinvertirá» a su nivel original realizando una doble inversión de la entrada.
Doble inversión usando puertas NOT
Puedes estar pensando, bueno, ¿cuál es el punto de un Buffer Digital si no invierte o altera su señal de entrada de ninguna manera, o hacer cualquier decisión lógica o las operaciones como las puertas AND u OR hacer, entonces ¿por qué no simplemente utilizar un pedazo de cable en su lugar, y eso es un buen punto. Pero un búfer digital no inversor tiene muchos usos en la electrónica digital, siendo una de sus principales ventajas que proporciona amplificación digital.
Los búferes digitales se pueden utilizar para aislar otras puertas o etapas del circuito entre sí, evitando que la impedancia de un circuito afecte a la impedancia de otro. Un búfer digital también puede utilizarse para accionar cargas de alta corriente, como los interruptores de transistores, ya que su capacidad de accionamiento de salida es generalmente mucho mayor que sus requisitos de señal de entrada. En otras palabras, los búferes se pueden utilizar para la amplificación de potencia de una señal digital, ya que tienen lo que se llama una alta capacidad de «fan-out».
Ejemplo de Fan-out de un buffer digital
El parámetro Fan-out de un buffer (o de cualquier CI digital) es la capacidad de conducción de la salida o la capacidad de corriente de salida de una puerta lógica que proporciona una mayor amplificación de la potencia de la señal de entrada. Puede ser necesario conectar más de una puerta lógica a la salida de otra o conmutar una carga de alta corriente como un LED, entonces un Buffer nos permitirá hacer precisamente eso.
Generalmente la salida de una puerta lógica suele estar conectada a las entradas de otras puertas. Cada entrada requiere una cierta cantidad de corriente de la salida de la puerta para cambiar de estado, por lo que cada conexión adicional de la puerta se suma a la carga de la puerta. Por lo tanto, el abanico de salida es el número de cargas paralelas que pueden ser manejadas simultáneamente por un búfer digital de puerta lógica. Actuando como fuente de corriente, un búfer puede tener un alto índice de fan-out de hasta 20 puertas de la misma familia lógica.
Si un búfer digital tiene un alto índice de fan-out (fuente de corriente) también debe tener un alto índice de «fan-in» (sumidero de corriente). Sin embargo, el retardo de propagación de la puerta se deteriora rápidamente en función del fan-in, por lo que deben evitarse las puertas con un fan-in superior a 4.
Entonces hay un límite en el número de entradas y salidas que pueden conectarse juntas y en las aplicaciones en las que necesitemos desacoplar las puertas entre sí, podemos utilizar un Buffer Tri-state o un driver de salida tristate.
El «Buffer triestado»
Además del Buffer digital estándar visto anteriormente, existe otro tipo de circuito buffer digital cuya salida puede ser desconectada «electrónicamente» de su circuito de salida cuando sea necesario. Este tipo de Buffer se conoce como Buffer de 3 estados o, más comúnmente, Buffer de tres estados.
Un Buffer de tres estados se puede considerar como un interruptor controlado por la entrada con una salida que se puede poner electrónicamente en «ON» u «OFF» por medio de una entrada de señal externa de «Control» o «Enable» ( EN ). Esta señal de control puede ser un «0» lógico o un «1» lógico, lo que hace que el búfer triestatal esté en un estado que permite que su salida funcione normalmente produciendo la salida requerida o en otro estado en el que su salida está bloqueada o desconectada.
Entonces un búfer triestatal requiere dos entradas. Una es la entrada de datos y la otra es la entrada de habilitación o control como se muestra.
Equivalente del interruptor de búfer de tres estados
Cuando se activa en su tercer estado deshabilita o pone en «OFF» su salida produciendo una condición de circuito abierto que no está ni en «HIGH» ni en «LOW» lógicos, sino que da un estado de salida de muy alta impedancia, High-Z, o más comúnmente Hi-Z. Entonces este tipo de dispositivo tiene dos entradas de estado lógico, «0» o un «1», pero puede producir tres estados de salida diferentes, «0», «1» o » Hi-Z «, por lo que se denomina dispositivo «Tri» o «3 estados».
Nótese que este tercer estado NO es igual a un nivel lógico «0» o «1», sino que es un estado de alta impedancia en el que la salida de los buffers está desconectada eléctricamente del resto del circuito. 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 es lo contrario a lo anterior ya que su salida se habilita o deshabilita cuando se aplica un nivel lógico «0» a su línea de control «enable». Cuando un buffer está habilitado por un «0» lógico, la salida es el complemento de su entrada. Cuando la línea de control de habilitación está en el nivel lógico «1», la salida del buffer está deshabilitada y una condición de alta impedancia, Hi-Z está presente en la salida.
Control de Buffer de tres estados
Hemos visto anteriormente que un buffer puede proporcionar amplificación de voltaje o corriente dentro de un circuito digital y también puede ser utilizado para invertir la señal de entrada. También hemos visto que los búferes digitales están disponibles en la forma de tri-estado que permite que la salida sea efectivamente desconectada produciendo un estado de alta impedancia (Hi-Z) equivalente a un circuito abierto.
El búfer tri-estado se utiliza en muchos circuitos electrónicos y de microprocesadores, ya que permiten que múltiples dispositivos lógicos se conecten al mismo cable o bus sin dañar o perder datos. Por ejemplo, supongamos que tenemos una línea o bus de datos con alguna memoria, periféricos, E/S o una CPU conectados a ella. Cada uno de estos dispositivos es capaz de enviar o recibir datos entre sí en este único bus de datos al mismo tiempo creando lo que se llama una contención.
La contención se produce cuando varios dispositivos se conectan entre sí porque algunos quieren conducir su salida alta y otros baja. Si estos dispositivos comienzan a enviar o recibir datos al mismo tiempo puede producirse un cortocircuito cuando un dispositivo emite al bus un «1» lógico, la tensión de alimentación, mientras que otro se pone a nivel lógico «0» o a tierra, lo que provoca una condición de cortocircuito y posiblemente daños en los dispositivos, así como la pérdida de datos.
La información digital se envía a través de estos buses de datos o autopistas de datos ya sea en serie, un bit a la vez, o puede ser de hasta ocho (o más) cables juntos en una forma paralela como en un bus de datos de microprocesador que permite que múltiples búferes de tres estados se conecten a la misma autopista de datos sin daño o pérdida de datos como se muestra.
Control del bus de datos de los búferes triestatales
Entonces, el búfer triestatal puede utilizarse para aislar dispositivos y circuitos del bus de datos y entre sí. Si las salidas de varios Tri-state Buffers están conectadas eléctricamente entre sí, se utilizan decodificadores para permitir que sólo un conjunto de Tri-state Buffers esté activo en cualquier momento mientras los otros dispositivos están en su estado de alta impedancia. A continuación se muestra un ejemplo de Buffers Tri-state conectados a un bus de datos de 4 hilos.
Control de búferes triestatales
Este ejemplo básico muestra cómo se puede utilizar un decodificador binario para controlar varios búferes triestatales, ya sea individualmente o juntos en conjuntos de datos. El decodificador selecciona la salida apropiada que corresponde a su entrada binaria permitiendo que sólo un conjunto de datos pase un estado de salida «1» o «0» lógico al bus. En este momento, todas las demás salidas de triestado conectadas a las mismas líneas de bus se deshabilitan colocándose en su estado Hi-Z de alta impedancia.
Entonces, los datos del conjunto de datos «A» sólo pueden transferirse al bus común cuando se aplica una señal activa ALTA a los búferes de triestado a través de la línea de habilitación, ENA. En todos los demás momentos representa una condición de alta impedancia estando efectivamente aislado del bus de datos.
De la misma manera, el conjunto de datos «B» sólo pasa datos al bus cuando se aplica una señal de habilitación a través de ENB. Un buen ejemplo de buffers triestatales conectados entre sí para controlar conjuntos de datos es el TTL 74244 Octal Buffer.
También es posible conectar buffers triestatales «espalda con espalda» para producir lo que se denomina un circuito Buffer bidireccional con un «buffer activo-alto» conectado en paralelo pero a la inversa con un «buffer activo-bajo».
Aquí, la entrada de control «enable» actúa más como una señal de control direccional haciendo que los datos sean leídos «desde» y transmitidos «hacia» el mismo cable del bus de datos. En este tipo de aplicación se puede utilizar un buffer triestado con capacidad de conmutación bidireccional como el TTL 74245.
Hemos visto que un buffer triestado es un dispositivo no inversor que da una salida (que es la misma que su entrada) sólo cuando la entrada al pin de habilitación, ( EN ) es ALTA, de lo contrario la salida del buffer pasa a su estado de alta impedancia, ( Hi-Z ). Las salidas triestatales se utilizan en muchos circuitos integrados y sistemas digitales y no sólo en los búferes digitales triestatales.
Tanto los búferes digitales como los triestatales pueden utilizarse para proporcionar amplificación de voltaje o corriente conduciendo cargas mucho más altas como relés, lámparas o transistores de potencia que con las puertas lógicas convencionales. Pero un buffer también se puede utilizar para proporcionar aislamiento eléctrico entre dos o más circuitos.
Hemos visto que se puede crear un bus de datos si se conectan varios dispositivos de triestado juntos y mientras sólo se seleccione uno en cada momento, no hay ningún problema. 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:
TTL Logic Digital Buffers
- 74LS07 Hex Non-inverting Buffer
- 74LS17 Hex Buffer/Driver
- 74LS244 Octal Buffer/Line Driver
- 74LS245 Octal Bi-directional Buffer
CMOS Logic Digital Buffers
- CD4050 Hex Non-inverting Buffer
- CD4503 Hex Tri-state Buffer
- HEF40244 Tri-state Octal Buffer