Какова цель буферных ворот?

Как я понимаю, буферный вентиль является противоположностью НЕ вентиля и не меняет входные данные:

Однако я иногда вижу микросхемы буферных затворов, используемые в микросхемах, и на неопытный взгляд они, похоже, ничего не делают. Например, недавно я видел неинвертирующий буферный вентиль, используемый на выходе повторителя эмиттера, примерно что-то вроде этого:

Так когда же потребуется использовать буферную ИС в своей схеме? Какова может быть цель ворот в вышеупомянутой схеме?

Буферы используются всякий раз, когда вам нужно ... ну ... буфер. Как в буквальном смысле слова. Они используются, когда вам нужно буферизовать входные данные из выходных данных. Есть бесчисленное множество способов использования буфера. Существуют цифровые логические логические буферы, которые логически проходят сквозные соединения, и есть аналоговые буферы, которые действуют как проходные, но для аналогового напряжения. Последний вид выходит за рамки вашего вопроса, но если вам интересно, посмотрите «следящий за напряжением».

Так, когда или почему Вы использовали бы один? По крайней мере, когда самый простой и дешевый буфер из всех, медный провод / след легко доступны?

Вот несколько причин:

1. Логическая изоляция. Большинство буферов имеют вывод ~ OE или аналогичный, вывод разрешения выхода. Это позволяет превратить любую логическую линию в трехстороннюю. Это особенно полезно, если вы хотите иметь возможность соединять или изолировать две шины (с буферами в обоих направлениях, если это необходимо) или, может быть, просто устройство. Буфер, являющийся буфером между этими вещами, позволяет вам это делать.

2. Уровень перевода. Многие буферы позволяют выходной стороне питаться от напряжения, отличного от входного. Это имеет очевидное применение для перевода уровней напряжения.

3. Оцифровка / повторение / очистка. Некоторые буферы имеют гистерезис, поэтому они могут принимать сигнал, который очень старается быть цифровым, но просто не имеют очень хорошего времени нарастания или не совсем корректно играют с порогами или чем-то еще, и очищают его и превращают в хороший, четкий цифровой сигнал с четкими краями.

4. Физическая изоляция. Вы должны посылать цифровой сигнал дальше, чем вам нравится, все шумит, и буфер делает отличный повторитель. Вместо вывода GPIO на приемном конце, к которому подключена полоса следа печатной платы, выступающая в роли антенны, индуктора и конденсатора и буквально рвущая, какой бы громкий шум и ужас он не хотел, прямо в зияющий рот этого бедного вывода, вы используете буфера. Теперь вывод GPIO видит только трассу между ним и буфером, а токовые петли изолированы. Черт возьми, теперь вы можете даже правильно завершить сигнал, например, с помощью резистора 50 Ом (или чего-то еще), потому что у вас также есть буфер на передающем конце, и вы можете загружать его так, как вы никогда не смогли бы загрузить скромный маленький вывод микросхемы.

5. Вождение грузов. Ваш цифровой входной источник имеет высокий импеданс, слишком высокий, чтобы фактически взаимодействовать с устройством, которым вы хотите управлять. Типичным примером может быть светодиод. Итак, вы используете буфер. Вы выбираете тот, который может легко потреблять, скажем, здоровенные 20 мА, и вы управляете светодиодом с помощью буфера, а не напрямую логическим сигналом.

Пример: Вы хотите, чтобы светодиоды индикации состояния были на чем-то похожем на шину I2C, но добавление светодиодов непосредственно к линиям I2C может вызвать проблемы с сигнализацией. Итак, вы используете буфер.

6. Жертва . Буферы часто имеют различные функции защиты, такие как защита от электростатического разряда и т. Д. И часто они не имеют. Но так или иначе, они действуют как буфер между чем-то и другим. Если у вас есть что-то, что может испытывать какое-то временное состояние, которое может повредить что-то, вы помещаете буфер между этой вещью и временным источником.

Иными словами, чипы любят взрываться почти так же, как и полупроводники. И чаще всего, когда что-то идет не так, чипсы взрываются. Без буферов часто любой переходный процесс, который выталкивает фишки влево и вправо, проникает глубоко в вашу схему и уничтожает кучу фишек сразу. Буферы могут предотвратить это. Я большой поклонник жертвенного буфера. Если что-то взорвется, я бы предпочел, чтобы это был буфер размером 50 ¢, а не FPGA за 1000 долларов.

Это некоторые из наиболее распространенных причин, которые я мог придумать, не задумываясь. Я уверен, что есть другие ситуации, может быть, вы получите больше ответов с большим использованием. Я думаю, что все согласятся, что буферы ужасно полезны, даже если на первый взгляд они кажутся довольно бессмысленными.

У простых буферных ворот есть несколько приложений:

• В прежние времена там было ограниченное разветвление логического выхода при подаче на несколько последующих входов. Если я правильно помню, было около 5 для TTL LS. Поэтому, если вы использовали выход для подачи более 5 входов, логические уровни больше не гарантировались. Вы можете использовать буферы для решения этой проблемы. Каждый буфер может подавать еще 5 входов (с небольшой задержкой). Теперь, с CMOS, это больше не актуально, разветвление на порядки больше, и это никогда не проблема.
• Его можно использовать для «усиления» слабого сигнала. Если сигнал имеет очень высокий импеданс, и вы хотите использовать его как вход схемы с низким входным импедансом, логические уровни не будут в пределах спецификации. Может быть, это использование в вашем конкретном примере.
• Может использоваться как небольшая линия задержки.
• Обычно в буфере есть триггерный вход Шмитта (но мы обычно рисуем небольшой знак «гистерезис»: buffer в треугольнике буфера, и, похоже, это не ваш случай). Таким образом, если логический уровень находится между высоким и низким, выход по-прежнему предсказуемо определен (он остается на том же уровне). Это широко используется при подключении аналоговых сигналов (например, от датчиков) к цифровым входам.

Кроме этого, есть не так много использования этого. Вот почему мы не можем легко их найти.

Буферы используются, когда это необходимо для удовлетворения нефункциональных требований, часто скорости (или входного / выходного сопротивления, которое влияет на скорость). Абстрактная схема часто не показывает достаточно деталей, чтобы оценить эту потребность. В вашей схеме R1 может быть слишком высоким, чтобы быстро и надежно приводить все, что подключено к выходу, в низкий уровень.

Другая причина может заключаться в том, что буфер содержит выходную защиту (ограничение тока, защита от электростатического разряда).