數(shù)字緩沖器和三態(tài)緩沖器可在數(shù)字電路中提供電流放大以驅(qū)動輸出負(fù)載

在之前的教程中，我們研究了通常稱為逆變器的數(shù)字非門，我們看到NOT門輸出狀態(tài)是其輸入信號的補碼，反相或反相。

因此，例如，當(dāng)NOT門的單輸入為“HIGH”時，其輸出狀態(tài)不會為“HIGH” ”。當(dāng)其輸入信號為“低”時，其輸出狀態(tài)將不為“低”，換句話說，它“反轉(zhuǎn)”其輸入信號，因此稱為“逆變器”。

但有時在數(shù)字電子電路中我們需要將邏輯門彼此隔離或讓它們驅(qū)動或切換高于正常負(fù)載，例如繼電器，螺線管和燈，而無需反轉(zhuǎn)。一種允許我們這樣做的單輸入邏輯門稱為數(shù)字緩沖器。

與單輸入，單輸出逆變器或 NOT TTL 7404的門，它在輸出上反轉(zhuǎn)或補充其輸入信號，“緩沖器”不執(zhí)行反轉(zhuǎn)或決策制作功能（如具有兩個或更多輸入的邏輯門），而是產(chǎn)生與其輸出完全匹配的輸出輸入。換句話說，數(shù)字緩沖器沒有任何作用，因為它的輸出狀態(tài)等于其輸入狀態(tài)。

然后數(shù)字緩沖器可以被視為應(yīng)用Boole冪等律的冪等門，因為當(dāng)輸入通過該設(shè)備時，其值不是改變。因此數(shù)字緩沖區(qū)是一個“非反相”設(shè)備，因此將給我們布爾表達(dá)式： Q = A 。

然后我們可以定義單個邏輯運算輸入數(shù)字緩沖區(qū)為：

“Q為真，僅當(dāng)A為真時”

換句話說，當(dāng)輸入 A 為真時，緩沖區(qū)的輸出（ Q ）狀態(tài)僅為真（邏輯“1”），否則其輸出為假（邏輯“0”）。

單輸入數(shù)字緩沖區(qū)

數(shù)字緩沖區(qū)也可以通過connectin制作g如下所示，兩個 NOT 門。第一個將“反轉(zhuǎn)”輸入信號 A ，第二個將“重新反轉(zhuǎn)”它返回到其原始電平，執(zhí)行輸入的雙反轉(zhuǎn)。

使用雙反轉(zhuǎn)NOT Gates

您可能正在思考，如果數(shù)字緩沖區(qū)沒有反轉(zhuǎn)，那么它的重點是什么？以任何方式改變其輸入信號，或做出任何邏輯決定或操作，如 AND 或 OR 門，那么為什么不只是使用一段電線，而這是一個好點。但是，非反相數(shù)字緩沖器確實在數(shù)字電子產(chǎn)品中有許多用途，其主要優(yōu)點之一是它提供數(shù)字放大。

數(shù)字緩沖器可用于將其他柵極或電路級彼此隔離，以防止一個電路的阻抗影響另一個電路的阻抗。數(shù)字緩沖器也可用于驅(qū)動高電流負(fù)載，例如晶體管開關(guān)，因為它們的輸出驅(qū)動能力通常遠(yuǎn)高于其輸入信號要求。換句話說，緩沖器可用于數(shù)字信號的功率放大，因為它們具有所謂的高“扇出”能力。

數(shù)字緩沖區(qū)扇出示例

扇出參數(shù)緩沖器（或任何數(shù)字IC）的輸出驅(qū)動能力或邏輯門的輸出電流能力給出輸入信號的更大功率放大?？赡苄枰獙⒍鄠€邏輯門連接到另一個邏輯門的輸出或切換高電流負(fù)載（如LED），然后緩沖器將允許我們這樣做。

通常輸出邏輯門的通常連接到其他門的輸入。每個輸入都需要來自柵極輸出的一定量的電流來改變狀態(tài)，因此每個額外的柵極連接都會增加?xùn)艠O的負(fù)載。因此，扇出是可以由邏輯門的一個數(shù)字緩沖器同時驅(qū)動的并行負(fù)載的數(shù)量。作為電流源，緩沖器可以具有高達(dá)同一邏輯系列的20個門的扇出額定值。

如果數(shù)字緩沖器具有高扇出額定值（電流源），則必須也有很高的“扇入”等級（當(dāng)前下沉）。然而，門的傳播延遲隨著扇入而迅速惡化，因此應(yīng)該避免扇入大于4的門。

然后輸入和輸出的數(shù)量是有限的。我們可以使用三態(tài)緩沖器或三態(tài)輸出驅(qū)動器，而不是可以連接在一起，在我們需要將門彼此去耦的應(yīng)用中。

“三態(tài)”緩沖區(qū)“

除了上面看到的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字緩沖器之外，還有另一種類型的數(shù)字緩沖電路，其輸出可以在需要時與其輸出電路”電子地“斷開。此類緩沖區(qū)稱為 3狀態(tài)緩沖區(qū)，或更常見的是三態(tài)緩沖區(qū)。

A 三態(tài)緩沖器可以被認(rèn)為是一個輸入控制開關(guān)，其輸出可以通過外部“控制”或“啟用”電子轉(zhuǎn)為“開”或“關(guān)”（ EN ）信號輸入。該控制信號可以是邏輯“0”或邏輯“1”類型信號，導(dǎo)致三態(tài)緩沖器處于一種狀態(tài)，允許其輸出正常工作，產(chǎn)生所需的輸出或另一種狀態(tài)。狀態(tài)是它的輸出被阻塞或斷開。

然后三態(tài)緩沖器需要兩個輸入。一個是數(shù)據(jù)輸入，另一個是啟用或控制輸入，如圖所示。

三態(tài)緩沖開關(guān)等效

當(dāng)激活到其第三狀態(tài)時，它禁用或關(guān)閉其輸出，產(chǎn)生既不是邏輯“高”或“低”的開路狀態(tài)，而是提供非常高阻抗的輸出狀態(tài)，高Z，或更常見的 Hi-Z 。然后這種類型的設(shè)備有兩個邏輯狀態(tài)輸入，“0”或“1”，但可以產(chǎn)生三種不同的輸出狀態(tài)，“0”，“1”或“ Hi-Z ”這就是為什么它被稱為“三態(tài)”或“三態(tài)”器件。

注意，這第三個狀態(tài)不等于邏輯電平“0”或“1”，而是一個高阻態(tài)，其中緩沖器輸出與電路的其余部分電斷開。因此，沒有電流從電源中提取。

有四種不同類型的三態(tài)緩沖器，一組輸出通過“Active-HIGH “控制信號產(chǎn)生反相或非反相輸出，另一組緩沖器輸出由”Active-LOW“控制信號控制產(chǎn)生反相或非反相輸出反轉(zhuǎn)輸出如下所示。

激活“HIGH”三態(tài)緩沖區(qū)

高電平三態(tài)緩沖器，例如74LS241八進(jìn)制緩沖器，當(dāng)邏輯電平“1”應(yīng)用于其“使能”時被激活控制線和數(shù)據(jù)從其輸入傳遞到其輸出。當(dāng)使能控制線處于邏輯電平“0”時，緩沖器輸出被禁用，輸出端出現(xiàn)高阻抗條件 Hi-Z 。

高電平有效三態(tài)緩沖器也可以具有反相輸出以及高阻態(tài)，從而產(chǎn)生高電平有效的三態(tài)反相緩沖器，如圖所示。

有效“高電平”反相三態(tài)-state Buffer

當(dāng)邏輯電平激活時，高電平有效的反相三態(tài)緩沖器（如74LS240八進(jìn)制緩沖器）的輸出被激活“1”應(yīng)用于其“啟用”控制線。輸入處的數(shù)據(jù)傳遞到輸出，但反轉(zhuǎn)產(chǎn)生輸入的補碼。當(dāng)邏輯電平“0”的使能線為低電平時，緩沖器輸出被禁止，并且在高阻抗條件下， Hi-Z 。

相同的兩個三態(tài)緩沖器也可以使用低電平有效使能輸入實現(xiàn)，如圖所示。

激活“低電平”三態(tài)緩沖區(qū)

低電平有效三態(tài)緩沖器與上述相反，當(dāng)邏輯電平“0”應(yīng)用于其“時被激活使“控制線。數(shù)據(jù)從其輸入傳遞到其輸出。當(dāng)使能控制線處于邏輯電平“1”時，緩沖器輸出被禁用，輸出端出現(xiàn)高阻抗條件 Hi-Z 。

有效“低電平” “反轉(zhuǎn)三態(tài)緩沖區(qū)

低電平反轉(zhuǎn)三態(tài)緩沖區(qū)與上述相反，因為當(dāng)邏輯電平“0”應(yīng)用于其“啟用”控制線時，其輸出被啟用或禁用。當(dāng)緩沖區(qū)由邏輯“0”使能時，輸出是其輸入的補碼。當(dāng)使能控制線處于邏輯電平“1”時，緩沖器輸出被禁用，輸出端出現(xiàn)高阻抗條件 Hi-Z 。

三態(tài)緩沖控制

我們已經(jīng)看到，緩沖器可以在數(shù)字電路中提供電壓或電流放大，它也可以用于反轉(zhuǎn)輸入信號。我們還看到數(shù)字緩沖器以三態(tài)形式提供，允許輸出有效地關(guān)斷，產(chǎn)生相當(dāng)于開路的高阻抗?fàn)顟B(tài)（Hi-Z）。

三態(tài)緩沖器用于許多電子和微處理器電路，因為它們允許多個邏輯器件連接到同一電線或總線，而不會損壞或丟失數(shù)據(jù)。例如，假設(shè)我們有一條數(shù)據(jù)線或數(shù)據(jù)總線，其中包含一些內(nèi)存，外設(shè)，I / O或連接到它的CPU。這些設(shè)備中的每一個都能夠在此單一數(shù)據(jù)總線上相互發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，同時產(chǎn)生所謂的爭用。

當(dāng)多個設(shè)備連接在一起時會發(fā)生爭用，因為有些設(shè)備想要將輸出驅(qū)動為高電平而某些設(shè)備為低電平。如果這些設(shè)備同時開始發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，當(dāng)一個設(shè)備向總線輸出邏輯“1”（電源電壓）時，可能會發(fā)生短路，而另一個設(shè)備則設(shè)置為邏輯電平“0”或接地，導(dǎo)致短路情況，可能會損壞設(shè)備以及丟失數(shù)據(jù)。

數(shù)字信息通過這些數(shù)據(jù)總線或數(shù)據(jù)高速公路串行發(fā)送，一次發(fā)送一次，或者可能由八個（或更多）導(dǎo)線以并聯(lián)形式連接在一起，例如在微處理器數(shù)據(jù)總線中，允許多個三態(tài)緩沖器連接到同一數(shù)據(jù)通道，而不會損壞或丟失數(shù)據(jù)，如圖所示。

狀態(tài)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)總線控制

然后，三態(tài)緩沖區(qū)可用于隔離設(shè)備和電路數(shù)據(jù)總線和彼此。如果幾個三態(tài)緩沖器的輸出電連接在一起，則解碼器用于在任何一個時間僅允許一組三態(tài)緩沖器有效，而其他器件處于高阻態(tài)。連接到4線數(shù)據(jù)總線的三態(tài)緩沖器示例如下所示。

三態(tài)緩沖器控制

這個基本示例顯示了如何使用二進(jìn)制解碼器在數(shù)據(jù)集中單獨或一起控制多個三態(tài)緩沖區(qū)。解碼器選擇對應(yīng)于其二進(jìn)制輸入的適當(dāng)輸出，只允許一組數(shù)據(jù)將邏輯“1”或邏輯“0”輸出狀態(tài)傳遞到總線上。此時，連接到相同總線的所有其他三態(tài)輸出通過置于高阻抗 Hi-Z 狀態(tài)而被禁用。

當(dāng)通過啟用線， EN A <將有效HIGH信號施加到三態(tài)緩沖器時，數(shù)據(jù)組“A”中的數(shù)據(jù)只能傳輸?shù)焦部偩€/跨度>。在所有其他時間，它表示有效地與數(shù)據(jù)總線隔離的高阻抗條件。

同樣，當(dāng)通過 EN <施加使能信號時，數(shù)據(jù)集“B”僅將數(shù)據(jù)傳遞到總線。子>乙 。連接在一起控制數(shù)據(jù)集的三態(tài)緩沖器的一個很好的例子是TTL 74244八進(jìn)制緩沖器。

還可以連接三態(tài)緩沖器“返回到 - 返回“產(chǎn)生所謂的雙向緩沖器電路，其中一個”高電平有效緩沖器“并聯(lián)，但與一個”低電平有效緩沖器“相反。

這里，“啟用”控制輸入更像是方向控制信號，使得數(shù)據(jù)既被“讀取”又被“發(fā)送”到相同的數(shù)據(jù)總線。在這種類型的應(yīng)用中，可以使用具有雙向開關(guān)功能的三態(tài)緩沖器，例如TTL 74245。

我們已經(jīng)看到三態(tài)緩沖器是一個非反相器件僅在Enable（ EN ）引腳的輸入為高電平時輸出（與其輸入相同），否則緩沖器的輸出進(jìn)入高阻態(tài)（ Hi-Z ）狀態(tài)。三態(tài)輸出用于許多集成電路和數(shù)字系統(tǒng)，而不僅僅用于數(shù)字三態(tài)緩沖器。

數(shù)字緩沖器和三態(tài)緩沖器都可用于提供電壓或電流放大，從而驅(qū)動高負(fù)載，如作為繼電器，燈或功率晶體管，而不是傳統(tǒng)的邏輯門。但是緩沖器也可用于在兩個或多個電路之間提供電氣隔離。

我們已經(jīng)看到，如果將多個三態(tài)設(shè)備連接在一起并且只要選擇一個，則可以創(chuàng)建數(shù)據(jù)總線。任何時候，都沒有問題。三態(tài)總線允許多個數(shù)字設(shè)備通過I / O信號和地址解碼在同一數(shù)據(jù)總線上輸入和輸出數(shù)據(jù)。

三態(tài)緩沖器可用于集成形成四路，十六進(jìn)制或八進(jìn)制緩沖器/驅(qū)動器，單向和雙向形式，更常見的是TTL 74240，TTL 74244和TTL 74245，如圖所示。

常用數(shù)字緩沖器和三態(tài)緩沖器IC包括：

TTL邏輯數(shù)字緩沖器

74LS07十六進(jìn)制非反相緩沖器

74LS17十六進(jìn)制緩沖器/驅(qū)動器

74LS244八路緩沖器/線路驅(qū)動程序

74LS245八進(jìn)制雙向緩沖區(qū)

CMOS邏輯數(shù)字緩沖區(qū)

CD4050十六進(jìn)制非反相緩沖器

CD4503十六進(jìn)制三態(tài)緩沖器

HEF40244三態(tài)八進(jìn)制緩沖器

74LS07數(shù)字緩沖區(qū)

74LS244八態(tài)三態(tài)緩沖器