Was ist der Zweck eines Puffertors?

So wie ich es verstehe, ist ein Puffer-Gate das Gegenteil von einem NOT-Gate und ändert den Eingang nicht:

Allerdings sehe ich manchmal Puffer-Gate-ICs, die in Schaltkreisen verwendet werden, und für ein unerfahrenes Auge scheinen sie überhaupt nichts zu tun. Zum Beispiel habe ich kürzlich ein nicht invertierendes Puffer-Gate am Ausgang eines Emitterfolgers gesehen, ungefähr so:

Wann muss also ein Puffer-IC in der Schaltung verwendet werden? Was könnte der Zweck des Tors im oben genannten Schema sein?

Puffer werden immer dann verwendet, wenn Sie ... naja ... einen Puffer benötigen. Wie im wörtlichen Sinne des Wortes. Sie werden verwendet, wenn Sie die Eingabe von der Ausgabe puffern müssen. Es gibt unzählige Möglichkeiten, einen Puffer zu verwenden. Es gibt digitale Logikgatterpuffer, die logisch durchgeleitet werden, und es gibt analoge Puffer, die nur für eine analoge Spannung als Durchleitungen fungieren. Letzteres liegt außerhalb des Rahmens Ihrer Frage, aber wenn Sie neugierig sind, schauen Sie nach "Voltage Follower".

Wann oder warum würden Sie eine verwenden? Zumindest wenn der einfachste und billigste Puffer überhaupt, ist ein Kupferdraht / eine Spur leicht verfügbar?

Hier einige Gründe:

1. Logische Isolation. Die meisten Puffer haben einen ~ OE-Pin oder einen ähnlichen Output-Enable-Pin. Auf diese Weise können Sie jede logische Leitung in eine dreistufige verwandeln. Dies ist besonders nützlich, wenn Sie in der Lage sein möchten, zwei Busse (mit Puffern in beide Richtungen, falls erforderlich) oder nur ein Gerät zu verbinden oder zu isolieren. Ein Puffer, der ein Puffer zwischen diesen Dingen ist, ermöglicht es Ihnen, dies zu tun.

2. Level Übersetzung. Bei vielen Puffern kann die Ausgangsseite von einer anderen Spannung als die Eingangsseite gespeist werden. Dies hat offensichtliche Verwendungen für die Übersetzung von Spannungspegeln.

3. Digitalisierung / Wiederholung / Aufräumen. Einige Puffer haben eine Hysterese, so dass sie ein Signal aufnehmen können, das sich sehr bemüht, digital zu sein, aber keine sehr guten Anstiegszeiten hat oder nicht richtig mit Schwellenwerten oder was auch immer spielt. Bereinigen Sie es und wandeln Sie es in ein Signal um ein schönes, scharfes, scharfkantiges digitales Signal.

4. Physikalische Isolation Sie müssen ein digitales Signal weiter senden, als Sie möchten, die Dinge sind verrauscht und ein Puffer ist ein großartiger Repeater. Anstelle eines GPIO-Pins am empfangenden Ende, an den ein Fuß einer Leiterplattenspur angeschlossen ist, der als Antenne, Induktor und Kondensator fungiert und buchstäblich alles erbricht, was das bloße Geräusch und die Schrecklichkeit direkt in den klaffenden Mund des armen Pins hinein will, verwenden Sie ein Puffer. Jetzt sieht der GPIO-Pin nur die Spur zwischen ihm und dem Puffer, und die Stromschleifen sind isoliert. Heck, Sie können das Signal jetzt sogar richtig terminieren, zum Beispiel mit einem 50-Ohm-Widerstand (oder was auch immer), weil Sie auch am Sendeende einen Puffer haben und diese auf eine Weise laden können, wie Sie es mit einem winzigen kleinen µC-Pin niemals tun könnten.

5. Fahren von Lasten. Ihre digitale Eingangsquelle ist hochohmig, zu hoch, um tatsächlich mit dem Gerät verbunden zu werden, das Sie steuern möchten. Ein häufiges Beispiel könnte eine LED sein. Sie verwenden also einen Puffer. Sie wählen eine aus, die beispielsweise satte 20 mA problemlos ansteuern kann, und Sie steuern die LED mit dem Puffer anstelle des Logiksignals direkt an.

Beispiel: Sie möchten Statusanzeige-LEDs auf so etwas wie einem I2C-Bus, aber das Hinzufügen von LEDs direkt zu den I2C-Leitungen würde zu Signalisierungsproblemen führen. Sie verwenden also einen Puffer.

6. Opfer . Puffer verfügen häufig über verschiedene Schutzfunktionen, wie z. B. ESD-Schutz usw., und dies ist häufig nicht der Fall. Aber so oder so wirken sie als Puffer zwischen etwas und etwas anderem. Wenn Sie etwas haben, bei dem möglicherweise ein vorübergehender Zustand vorliegt, der etwas beschädigen könnte, fügen Sie einen Puffer zwischen dieses Ding und die vorübergehende Quelle ein.

Anders ausgedrückt, Chips lieben es fast genauso, zu explodieren wie Halbleiter. Und die meiste Zeit, wenn etwas schief geht, explodieren Chips. Ohne Puffer greift oft die Transiente, die die Chips links und rechts platzt, tief in Ihren Schaltkreis ein und zerstört eine Reihe von Chips auf einmal. Puffer können das verhindern. Ich bin ein großer Fan des Opferpuffers. Wenn etwas explodieren wird, wäre es mir lieber, wenn es sich um einen 50-¢ -Puffer und nicht um ein 1000-Dollar-FPGA handelt.

Dies sind einige der häufigsten Gründe, die mir auf den ersten Blick einfallen könnten. Ich bin mir sicher, dass es andere Situationen gibt. Vielleicht erhalten Sie mehr Antworten mit mehr Verwendungsmöglichkeiten. Ich denke, jeder wird zustimmen, dass Puffer fürchterlich nützlich sind, auch wenn sie auf den ersten Blick ziemlich sinnlos erscheinen.

Einfache Puffertore haben einige Anwendungen:

• In früheren Zeiten gab es eine begrenzte Auflockerung eines Logikausgangs, wenn dieser mehreren nachfolgenden Eingängen zugeführt wurde. Wenn ich mich richtig erinnere, war es ungefähr 5 für TTL LS. Wenn Sie also einen Ausgang zur Speisung von mehr als 5 Eingängen verwendet haben, waren die Logikpegel nicht mehr garantiert. Sie können Puffer verwenden, um dieses Problem zu lösen. Jeder Puffer könnte weitere 5 Eingänge versorgen (mit einer kleinen Verzögerung). Jetzt, mit CMOS, ist es nicht mehr wirklich relevant, der Fanout ist um Größenordnungen größer und es ist nie ein Problem.
• Es kann verwendet werden, um ein schwaches Signal "zu verstärken". Wenn das Signal eine sehr hohe Impedanz hat und Sie es als Eingang einer Schaltung mit niedriger Eingangsimpedanz verwenden möchten, liegen die Logikpegel nicht innerhalb der Spezifikationen. Vielleicht ist dies die Verwendung in Ihrem speziellen Beispiel.
• Es kann als kleine Verzögerungsleitung verwendet werden.
• Normalerweise hat der Puffer einen Schmitt-Trigger-Eingang (aber dann zeichnen wir normalerweise ein kleines "Hysterese" -Zeichen: ⎎ im Pufferdreieck, und es scheint, als wäre es nicht Ihr Fall). Wenn der Logikpegel also zwischen hoch und niedrig liegt, ist der Ausgang weiterhin vorhersehbar definiert (er bleibt auf dem Pegel, der er ist). Dies ist sehr nützlich, wenn Sie analoge Signale (z. B. von Sensoren) an digitale Eingänge anschließen.

Davon abgesehen gibt es nicht viele Verwendungen. Das ist der Grund, warum wir diese eigentlich nicht leicht finden.

Puffer werden bei Bedarf verwendet, um nicht funktionsbezogene Anforderungen zu erfüllen, häufig die Geschwindigkeit (oder die Eingangs- / Ausgangsimpedanz, die die Geschwindigkeit beeinflusst). Eine abstrahierte Schaltung zeigt oft nicht genug Details, um diese Notwendigkeit zu erkennen. In Ihrem Schaltkreis ist R1 möglicherweise zu hoch, um alles, was an den Ausgang angeschlossen ist, schnell und zuverlässig auf Low zu schalten.

Ein weiterer Grund kann sein, dass der Puffer einen Ausgangsschutz (Strombegrenzung, ESD-Schutz) enthält.