Qual è lo scopo di un buffer gate?

Come capisco, un buffer gate è l'opposto di un NOT gate e non cambia l'ingresso:

Tuttavia a volte vedo circuiti integrati gate buffer utilizzati nei circuiti e ad un occhio inesperto sembrano non fare nulla. Ad esempio, di recente ho visto un gate buffer non invertente utilizzato all'uscita di un follower di emettitore, all'incirca qualcosa del genere:

Quindi, quando si dovrebbe usare un buffer IC nel proprio circuito? Quale potrebbe essere lo scopo del cancello nel suddetto schema?

I buffer vengono utilizzati ogni volta che è necessario ... beh ... un buffer. Come nel significato letterale della parola. Vengono utilizzati quando è necessario bufferizzare l'input dall'output. Esistono innumerevoli modi per utilizzare un buffer. Esistono buffer di gate di logica digitale, che sono passthrough logicamente e ci sono buffer analogici, che agiscono come passthrough ma per una tensione analogica. Quest'ultimo è un po 'al di fuori dell'ambito della tua domanda, ma se sei curioso, cerca "follower di tensione".

Quindi quando o perché dovresti usarne uno? Almeno quando il buffer più semplice ed economico di tutti, un filo / traccia di rame è prontamente disponibile?

Ecco alcuni motivi:

1. Isolamento logico. La maggior parte dei buffer ha un pin ~ OE o simile, un pin di abilitazione dell'uscita. Ciò consente di trasformare qualsiasi linea logica in una tristata. Ciò è particolarmente utile se vuoi essere in grado di connettere o isolare due bus (con buffer in entrambi i modi se necessario), o forse solo un dispositivo. Un buffer, essendo un buffer tra queste cose, ti consente di farlo.

2. Traduzione di livello. Molti buffer consentono al lato di uscita di essere alimentato da una tensione diversa rispetto al lato di ingresso. Questo ha usi ovvi per tradurre i livelli di tensione.

3. Digitalizzazione / ripetizione / pulizia. Alcuni buffer hanno un'isteresi, quindi possono prendere un segnale che sta provando molto ad essere digitale, ma semplicemente non ha tempi di salita molto buoni o non sta giocando proprio con soglie o altro, e lo pulisce e lo trasforma in un segnale digitale gradevole, nitido e nitido.

4. Isolamento fisico Devi inviare un segnale digitale più lontano di quanto desideri, le cose sono rumorose e un buffer è un ottimo ripetitore. Invece di un pin GPIO sull'estremità ricevente con un piede di traccia di pcb collegato ad esso, che agisce come un'antenna, un induttore e un condensatore e vomita letteralmente qualunque sia il rumore diabolico e la terribile cosa vuole direttamente nella bocca spalancata di quel povero pin, usi un buffer. Ora il pin GPIO vede solo la traccia tra esso e il buffer e i loop correnti sono isolati. Diamine, puoi persino terminare correttamente il segnale ora, come con una resistenza da 50 Ω (o qualsiasi altra cosa), perché hai anche un buffer sull'estremità di trasmissione e puoi caricarli in modi in cui non potresti mai caricare un piccolo pin µC wimpy.

5. Carichi di guida. La sorgente di ingresso digitale è ad alta impedenza, troppo alta per interfacciarsi effettivamente con il dispositivo che si desidera controllare. Un esempio comune potrebbe essere un LED. Quindi usi un buffer. Ne selezioni uno che può guidare, diciamo, un potente 20mA facilmente e guidi il LED con il buffer, invece del segnale logico direttamente.

Esempio: si desidera che i LED di indicazione dello stato siano simili a un bus I2C, ma l'aggiunta di LED direttamente alle linee I2C causerebbe problemi di segnalazione. Quindi usi un buffer.

6. Sacrificio . I buffer hanno spesso varie funzioni di protezione, come la protezione ESD, ecc. E spesso no. Ma in entrambi i casi, fungono da cuscinetto tra qualcosa e un'altra cosa. Se hai qualcosa che potrebbe sperimentare una sorta di condizione transitoria che potrebbe danneggiare qualcosa, metti un buffer tra quella cosa e la fonte transitoria.

In altre parole, i chip adorano esplodere tanto quanto amano i semiconduttori. E la maggior parte delle volte, quando qualcosa va storto, esplodono i chip. Senza buffer, spesso qualunque transitorio che fa scoppiare chip a sinistra e a destra raggiungerà in profondità il tuo circuito e distruggerà un mucchio di chip contemporaneamente. I buffer possono impedirlo. Sono un grande fan del buffer sacrificale. Se qualcosa sta per esplodere, preferirei che sia un buffer da 50 ¢ e non un FPGA da $ 1000.

Questi sono alcuni dei motivi più comuni che mi vengono in mente dalla testa. Sono sicuro che ci sono altre situazioni, forse otterrai più risposte con più usi. Penso che tutti saranno d'accordo sul fatto che i buffer sono terribilmente utili, anche se a prima vista sembrano piuttosto inutili.

Le porte buffer semplici hanno alcune applicazioni:

• Nei vecchi tempi, là dove il fan-out limitato di un'uscita logica, quando veniva alimentato a più ingressi successivi. Se ricordo bene, erano circa 5 per TTL LS. Pertanto, se si utilizzava un'uscita per alimentare più di 5 ingressi, i livelli logici non erano più garantiti. È possibile utilizzare i buffer per risolvere questo problema. Ogni buffer potrebbe alimentare altri 5 input (con un piccolo ritardo). Ora, con CMOS, non è più veramente rilevante, la dissolvenza è maggiore di ordini di grandezza e non è mai un problema.
• Può essere usato per "amplificare" un segnale debole. Se il segnale ha un'impedenza molto elevata e si desidera utilizzarlo come ingresso di un circuito con impedenza di ingresso bassa, i livelli logici non rientrano nelle specifiche. Forse questo è l'uso nel tuo esempio specifico.
• Può essere usato come una piccola linea di ritardo.
• Di solito, il buffer ha un input di trigger schmitt (ma di solito disegniamo un piccolo segno di "isteresi": ⎎ nel triangolo del buffer, e sembra che non sia il tuo caso). Quindi, se il livello logico è tra alto e basso, l'output è ancora prevedibilmente definito (rimane al livello in cui si trova). Ciò ha molti usi quando si interfacciano segnali analogici (ad es. Provenienti da sensori) con ingressi digitali.

A parte questo, non ci sono molti usi. Ecco perché non li troviamo facilmente, in realtà.

I buffer vengono utilizzati quando necessario per soddisfare i requisiti non funzionali, spesso la velocità (o l'impedenza di ingresso / uscita, che influisce sulla velocità). Un circuito astratto spesso non mostra abbastanza dettagli per apprezzare questa esigenza. Nel tuo circuito, R1 potrebbe essere troppo alto per far passare tutto ciò che è collegato all'uscita in modo rapido e affidabile.

Un altro motivo potrebbe essere che il buffer contiene protezione dell'output (limitazione della corrente, protezione ESD).