Digitális puffer bemutató

Az előző bemutatóban megnéztük a digitális NOT-kaput, amelyet általában inverternek neveznek, és láttuk, hogy a NOT-kapu kimeneti állapota a bemeneti jelének komplementere, ellentéte vagy inverze.

Azaz például, ha a NOT-kapu egyetlen bemenete “HIGH”, a kimeneti állapota NEM lesz “HIGH”. Amikor a bemeneti jele “LOW”, a kimeneti állapota NEM lesz “LOW”, más szóval “megfordítja” a bemeneti jelét, innen az “inverter” elnevezés.

A digitális elektronikus áramkörökben azonban néha szükségünk van arra, hogy a logikai kapukat egymástól elszigeteljük, vagy hogy a normálnál nagyobb terheléseket, például reléket, szolenoidokat és lámpákat inverzió nélkül vezéreljük vagy kapcsoljuk. Az egy bemenetű logikai kapuk egyik típusa, amely pontosan ezt teszi lehetővé, az úgynevezett digitális puffer.

Az egy bemenetű, egy kimenetű inverterrel vagy NOT kapuval ellentétben, mint például a TTL 7404, amely invertálja vagy kiegészíti a bemeneti jelét a kimeneten, a “Puffer” nem végez inverziós vagy döntési képességeket (mint a két vagy több bemenettel rendelkező logikai kapuk), hanem ehelyett egy olyan kimenetet állít elő, amely pontosan megegyezik a bemenetével. Más szóval a digitális puffer nem csinál semmit, mivel a kimeneti állapota megegyezik a bemeneti állapotával.

A digitális pufferek tehát a Boole-féle idempotens törvényt alkalmazva idempotens kapuknak tekinthetők, mivel amikor egy bemenet áthalad ezen az eszközön, annak értéke nem változik. Tehát a digitális puffer egy “nem invertáló” eszköz, és ezért a Boole-féle kifejezést adja nekünk: 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. Az első “invertálja” az A bemeneti jelet, a második pedig “visszafordítja” azt az eredeti szintre, végrehajtva a bemenet kettős inverzióját.

Dupla inverzió NOT-kapuk használatával

Gondolhatod, nos, mi értelme van egy digitális puffernek, ha nem invertálja vagy módosítja a bemeneti jelét semmilyen módon, vagy nem hoz logikai döntéseket vagy műveleteket, mint az AND vagy OR kapuk, akkor miért nem használunk helyette egyszerűen egy darab drótot, és ez egy jó érv. De egy nem invertáló digitális puffer sokféleképpen használható a digitális elektronikában, amelynek egyik fő előnye, hogy digitális erősítést biztosít.

A digitális pufferek használhatók más kapuk vagy áramköri szakaszok egymástól való elszigetelésére, megakadályozva, hogy az egyik áramkör impedanciája befolyásolja a másik áramkör impedanciáját. A digitális puffer nagyáramú terhelések, például tranzisztoros kapcsolók meghajtására is használható, mivel a kimeneti meghajtó képességük általában sokkal nagyobb, mint a bemeneti jeligényük. Más szóval a pufferek használhatók a digitális jel teljesítményerősítésére, mivel úgynevezett nagy “fan-out” képességgel rendelkeznek.

Digitális puffer Fan-out példa

A puffer (vagy bármely digitális IC) Fan-out paramétere a logikai kapu kimeneti meghajtó képessége vagy kimeneti áramképessége, amely a bemeneti jel nagyobb teljesítményerősítését adja. Szükség lehet arra, hogy egynél több logikai kaput csatlakoztassunk egy másik logikai kapu kimenetéhez vagy egy nagyáramú terhelés, például egy LED kapcsolásához, akkor egy puffer lehetővé teszi számunkra, hogy pontosan ezt tegyük.

Általában egy logikai kapu kimenete általában más kapuk bemenetéhez van csatlakoztatva. Minden bemenet bizonyos mennyiségű áramot igényel a kapu kimenetétől az állapotváltáshoz, így minden további kapucsatlakozás növeli a kapu terhelését. A fan-out tehát a logikai kapu egy digitális pufferrel egyidejűleg vezérelhető párhuzamos terhelések száma. Egy puffer áramforrásként működve akár 20 azonos logikai családba tartozó kapu nagy fan-out értékével is rendelkezhet.

Ha egy digitális puffer nagy fan-out értékkel (áramforrás) rendelkezik, akkor nagy “fan-in” értékkel (áramnyelő) is kell rendelkeznie. A kapu terjedési késleltetése azonban gyorsan romlik a fan-in függvényében, ezért a 4-nél nagyobb fan-in értékű kapukat kerülni kell.

Az egymáshoz kapcsolható bemenetek és kimenetek számának van határa, és olyan alkalmazásokban, ahol a kapukat egymástól függetleníteni kell, használhatunk tri-state puffert vagy tristate kimeneti vezérlőt.

A “Tri-state Buffer”

A fentebb látható standard digitális puffer mellett létezik egy másik típusú digitális pufferáramkör is, amelynek kimenete szükség esetén “elektronikusan” leválasztható a kimeneti áramköréről. Ezt a puffertípust 3 állapotú pufferként vagy gyakrabban háromállapotú pufferként ismerjük.

A háromállapotú puffer úgy képzelhető el, mint egy bemenetvezérelt kapcsoló, amelynek kimenete elektronikusan “ON” vagy “OFF” kapcsolható egy külső “Control” vagy “Enable” ( EN ) jelbemenet segítségével. Ez a vezérlőjel lehet egy “0” vagy egy “1” típusú logikai jel, ami azt eredményezi, hogy a háromállapotú puffer egy olyan állapotban van, amely lehetővé teszi, hogy a kimenete normálisan működjön a kívánt kimenetet produkálva, vagy egy másik állapotban, amikor a kimenete blokkolva vagy kikapcsolva van.

A háromállapotú puffer két bemenetet igényel. Az egyik az adatbemenet, a másik pedig az engedélyező vagy vezérlő bemenet az ábrán látható módon.

Tri-state Buffer Switch Equivalent

A harmadik állapotba kapcsolva letiltja vagy “OFF”-ra kapcsolja a kimenetét, ami egy nyitott áramköri állapotot eredményez, amely nem logikai “HIGH” vagy “LOW”, hanem egy nagyon magas impedanciájú kimeneti állapotot ad, High-Z, vagy gyakrabban Hi-Z. Az ilyen típusú eszköznek két logikai állapotú bemenete van, “0” vagy “1”, de három különböző kimeneti állapotot tud létrehozni, “0”, “1” vagy ” Hi-Z “, ezért nevezik “Tri” vagy “3 állapotú” eszköznek.

Megjegyezzük, hogy ez a harmadik állapot NEM egyenlő a “0” vagy “1” logikai szinttel, hanem egy magas impedanciájú állapot, amelyben a puffer kimenete elektromosan el van választva az áramkör többi részétől. 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 invertáló háromállapotú puffer a fentiekkel ellentétes, mivel a kimenete akkor aktiválódik vagy deaktiválódik, ha az “enable” vezérlővonalra “0” logikai szint kerül. Amikor a puffer a logikai “0”-val van engedélyezve, a kimenet a bemenetének a komplementere. Amikor az engedélyező vezérlővonal “1” logikai szinten van, a puffer kimenete le van tiltva, és a kimeneten magas impedancia, Hi-Z állapot áll fenn.

Tri-state Buffer Control

Fentebb láttuk, hogy a puffer feszültség- vagy áramerősítést biztosíthat egy digitális áramkörön belül, és a bemeneti jel invertálására is használható. Azt is láttuk, hogy a digitális pufferek háromállapotú formában is rendelkezésre állnak, amelyek lehetővé teszik a kimenet hatékony kikapcsolását, ami egy nyitott áramkörrel egyenértékű magas impedanciájú állapotot (Hi-Z) eredményez.

A háromállapotú puffert számos elektronikus és mikroprocesszoros áramkörben használják, mivel lehetővé teszik több logikai eszköz ugyanarra a vezetékre vagy buszra való csatlakoztatását károsodás vagy adatvesztés nélkül. Tegyük fel például, hogy van egy adatvonal vagy adatbusz, amelyhez memória, perifériák, I/O vagy egy CPU csatlakozik. Ezen eszközök mindegyike képes egyszerre adatokat küldeni vagy fogadni egymásnak ezen az egyetlen adatbuszon, ami az úgynevezett versengést hozza létre.

A versengés akkor következik be, amikor több eszköz van összekötve, mert egyesek a kimenetüket magasra, mások pedig alacsonyra akarják vezetni. Ha ezek az eszközök egyszerre kezdenek el adatokat küldeni vagy fogadni, rövidzárlat léphet fel, amikor az egyik eszköz logikai “1”-et, azaz a tápfeszültséget adja ki a buszra, míg a másik “0” logikai szintre vagy földre van állítva, ami rövidzárlatot és esetleg az eszközök károsodását, valamint adatvesztést eredményezhet.

A digitális információt ezeken az adatbuszokon vagy adatautópályákon vagy sorosan, bitenként, vagy akár nyolc (vagy több) vezetékkel együtt, párhuzamos formában, például egy mikroprocesszor adatbuszán keresztül küldik, ami lehetővé teszi, hogy több háromállapotú puffer csatlakozzon ugyanarra az adatútra a bemutatott módon károsodás vagy adatvesztés nélkül.

Tri-state Buffer adatbusz vezérlés

Ezután a tri-state buffer használható az eszközök és áramkörök elkülönítésére az adatbusz és egymástól. Ha több Tri-state Buffers kimenetei elektromosan össze vannak kötve, akkor dekódereket használnak, amelyek lehetővé teszik, hogy a Tri-state Buffersnek egyszerre csak egy csoportja legyen aktív, míg a többi eszköz magas impedanciájú állapotban van. Az alábbiakban egy 4 vezetékes adatbuszhoz csatlakoztatott háromállapotú pufferek példája látható.

Tri-state puffer vezérlés

Ez az alapvető példa azt mutatja, hogy egy bináris dekóder hogyan használható több tri-state puffer vezérlésére akár egyenként, akár együttesen, adathalmazokban. A dekóder kiválasztja a bináris bemenetének megfelelő kimenetet, amely lehetővé teszi, hogy csak egy adathalmaz logikai “1” vagy logikai “0” kimeneti állapotot juttasson a buszra. Ekkor az összes többi, ugyanezen buszvonalakhoz csatlakozó háromállapotú kimenet letiltásra kerül azáltal, hogy magas impedanciájú Hi-Z állapotba kerül.

Az “A” adatkészletből csak akkor lehet adatokat átvinni a közös buszra, ha a háromállapotú pufferekre aktív HIGH jelet adunk az ENA engedélyező vonalon keresztül. Minden más alkalommal magas impedanciájú állapotot képvisel, amely gyakorlatilag el van szigetelve az adatbuszról.

Hasonlóképpen, a “B” adatkészlet csak akkor továbbít adatokat a buszra, ha az ENB-n keresztül engedélyező jelet adunk. Az adatkészletek vezérlésére összekapcsolt háromállapotú pufferek jó példája a TTL 74244 Octal Buffer.

A háromállapotú pufferek “back-to-back” összekapcsolására is van lehetőség, hogy úgynevezett kétirányú pufferáramkört hozzon létre, amelyben egy “active-high puffer” párhuzamosan van kapcsolva, de fordítva egy “active-low pufferrel”.

Itt az “engedélyező” vezérlőbemenet inkább irányított vezérlőjelként viselkedik, ami az adatokat mind “leolvassa”, mind “továbbítja” ugyanarról az adatbuszvezetékről. Az ilyen típusú alkalmazásban egy kétirányú kapcsolási képességgel rendelkező háromállapotú puffer használható, mint például a TTL 74245.

Láttuk, hogy a háromállapotú puffer egy nem invertáló eszköz, amely csak akkor ad kimenetet (amely megegyezik a bemenetével), ha az Enable, ( EN ) pin bemenete HIGH, különben a puffer kimenete magas impedanciájú ( Hi-Z ) állapotba kerül. A háromállapotú kimeneteket számos integrált áramkörben és digitális rendszerben használják, és nem csak a digitális háromállapotú pufferekben.

A digitális pufferek és a háromállapotú pufferek egyaránt használhatók feszültség- vagy áramerősítésre, amely sokkal nagyobb terheléseket, például reléket, lámpákat vagy teljesítménytranzisztorokat vezet, mint a hagyományos logikai kapukkal. De egy puffer arra is használható, hogy elektromos szigetelést biztosítson két vagy több áramkör között.

Láttuk, hogy egy adatbusz létrehozható, ha több tristate eszközt kapcsolunk össze, és amíg egyszerre csak egy van kiválasztva, addig nincs probléma. 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: