Do czego służy bramka buforowa?

Rozumiem, że bramka buforowa jest przeciwieństwem bramki NOT i nie zmienia danych wejściowych:

Jednak czasami widzę układy scalone bramki buforowej używane w obwodach i dla niedoświadczonego oka wydają się one w ogóle nic nie robić. Na przykład ostatnio widziałem nieodwracającą się bramę buforową używaną na wyjściu obserwatora emitera, mniej więcej tak:

Kiedy więc trzeba zastosować buforowy układ scalony w ich obwodzie? Jaki może być cel bramy we wspomnianym schemacie?

Bufory są używane, kiedy tylko potrzebujesz ... cóż ... bufor. Jak w dosłownym znaczeniu tego słowa. Są używane, gdy trzeba buforować dane wejściowe z danych wyjściowych. Istnieje niezliczona ilość sposobów wykorzystania bufora. Istnieją bufory bramek cyfrowych, które są logicznie przejściami, i istnieją bufory analogowe, które działają jak przejścia, ale dla napięcia analogowego. To drugie jest poza zakresem twojego pytania, ale jeśli jesteś ciekawy, poszukaj „obserwatora napięcia”.

Kiedy i dlaczego miałbyś go użyć? Przynajmniej gdy najprostszy i najtańszy ze wszystkich buforów, drut miedziany / ślad jest łatwo dostępny?

Oto kilka powodów:

1. Izolacja logiczna. Większość buforów ma pin ~ OE lub podobny, pin włączania wyjścia. Pozwala to przekształcić dowolną linię logiczną w trójstopniową. Jest to szczególnie przydatne, jeśli chcesz być w stanie podłączyć lub odizolować dwie magistrale (w razie potrzeby z buforami w obie strony), a może po prostu urządzenie. Bufor, będący buforem między tymi rzeczami, pozwala ci to zrobić.

2. Tłumaczenie poziomu. Wiele buforów pozwala zasilać stronę wyjściową z innego napięcia niż strona wejściowa. Ma to oczywiste zastosowania do tłumaczenia poziomów napięcia.

3. Digitalizacja / powtarzanie / czyszczenie. Niektóre bufory mają histerezę, więc mogą odebrać sygnał, który bardzo stara się być cyfrowym, ale po prostu nie ma bardzo dobrych czasów narastania lub nie gra zbyt dobrze z progami lub czymkolwiek, i oczyszczają go i zamieniają w ładny, ostry, czysty sygnał cyfrowy.

4. Fizyczna izolacja Musisz wysłać sygnał cyfrowy dalej, niż chcesz, rzeczy są głośne, a bufor stanowi doskonały repeater. Zamiast szpilki GPIO na końcu odbiorczym, do której podłączona jest stopa płytki drukowanej, działająca jak antena, cewka indukcyjna i kondensator, i dosłownie wymiotuje niezależnie od cholernego hałasu i okropności, których chce bezpośrednio do ziejących ust tego biednego pinu, używasz bufor. Teraz pin GPIO widzi tylko ślad między nim a buforem, a bieżące pętle są izolowane. Heck, możesz teraz nawet poprawnie zakończyć sygnał, tak jak w przypadku rezystora 50Ω (lub cokolwiek innego), ponieważ masz również bufor na końcu nadawczym i możesz załadować je w sposób, w jaki nigdy nie można załadować małego, cienkiego pinu µC.

5. Prowadzenie ładunków. Cyfrowe źródło wejściowe ma wysoką impedancję, zbyt wysoką, aby mogło faktycznie współpracować z urządzeniem, którym chcesz sterować. Typowym przykładem może być dioda LED. Więc używasz bufora. Wybierasz taki, który może z łatwością napędzić, powiedzmy, potężny 20mA, i napędzasz diodę LED buforem, zamiast bezpośrednio sygnału logicznego.

Przykład: Chcesz diody LED wskazujące status na czymś takim jak magistrala I2C, ale dodanie diod LED bezpośrednio do linii I2C spowodowałoby problemy z sygnalizacją. Więc używasz bufora.

6. Ofiara . Bufory często mają różne funkcje ochrony, takie jak ochrona ESD itp. I często nie. Ale tak czy inaczej działają one jako bufor między czymś a czymś innym. Jeśli masz coś, co może doświadczyć jakiegoś stanu przejściowego, który może coś uszkodzić, umieść bufor między tym rzeczem a źródłem przejściowym.

Innymi słowy, chipy uwielbiają eksplodować prawie tak samo, jak uwielbiają półprzewodniki. I przez większość czasu, gdy coś idzie nie tak, chipy eksplodują. Bez buforów często cokolwiek przejściowe, które wyskakuje z żetonów w lewo i w prawo, wnika głęboko w obwód i niszczy wiązkę żetonów naraz. Bufory mogą temu zapobiec. Jestem wielkim fanem bufora ofiarnego. Jeśli coś wybuchnie, wolałbym, aby był to bufor 50 ¢, a nie 1000 FPGA.

Są to niektóre z najczęstszych powodów, dla których mogłem myśleć o tym, co robiłem z głowy. Jestem pewien, że są inne sytuacje, może otrzymasz więcej odpowiedzi przy większej liczbie zastosowań. Myślę, że wszyscy zgodzą się, że bufory są niezwykle przydatne, nawet jeśli na pierwszy rzut oka wydają się raczej bezcelowe.

Proste bramki buforowe mają kilka zastosowań:

• W dawnych czasach, gdzie ograniczona fan-out z wyjściem logicznym, gdy doprowadza do wielu kolejnych wejść. Jeśli dobrze pamiętam, było około 5 dla TTL LS. Więc jeśli użyłeś wyjścia do zasilania więcej niż 5 wejść, poziomy logiki nie były już gwarantowane. Możesz użyć buforów, aby rozwiązać ten problem. Każdy bufor może zasilać kolejne 5 wejść (z niewielkim opóźnieniem). Teraz, z CMOS, nie jest już tak naprawdę istotne, fanout jest większy o rząd wielkości i nigdy nie stanowi problemu.
• Można go użyć do „wzmocnienia” słabego sygnału. Jeśli sygnał ma bardzo wysoką impedancję i chcesz go użyć jako wejścia obwodu o niskiej impedancji wejściowej, poziomy logiczne nie mieszczą się w specyfikacji. Być może jest to użycie w twoim konkretnym przykładzie.
• Może być stosowany jako mała linia opóźniająca.
• Zwykle bufor ma wejście wyzwalacza Schmitta (ale zwykle rysujemy mały znak „histerezy”: ⎎ w trójkącie bufora i wydaje się, że to nie twój przypadek). Więc jeśli poziom logiczny jest pomiędzy wysokim a niskim, wyjście jest nadal definiowane w przewidywalny sposób (pozostaje na tym samym poziomie). Ma to wiele zastosowań w przypadku łączenia sygnałów analogowych (np. Pochodzących z czujników) z wejściami cyfrowymi.

Poza tym nie ma wielu zastosowań. Dlatego tak naprawdę nie znajdujemy ich łatwo.

Bufory są używane w razie potrzeby w celu spełnienia wymagań niefunkcjonalnych, często prędkości (lub impedancji wejściowej / wyjściowej, która wpływa na prędkość). Abstrakcyjny obwód często nie pokazuje wystarczającej ilości szczegółów, aby docenić tę potrzebę. W twoim obwodzie R1 może być zbyt wysoki, aby szybko i niezawodnie doprowadzić do niskiego poziomu wszystkiego, co jest podłączone do wyjścia.

Innym powodem może być to, że bufor zawiera ochronę wyjścia (ograniczenie prądu, ochrona ESD).