Eine vollständige Anleitung zu Puffertoren in der digitalen Elektronik

In digitalen Schaltkreisen ist die Aufrechterhaltung der Signalstärke genauso schwerwiegend wie die Gewährleistung der korrekten Logikwerte, und genau hier werden Puffertore zu einem Muss.Puffer sind so konzipiert, dass sie Signale stärken, ohne ihre Logikzustände zu verändern, sodass sie längere Strecken zurücklegen und mehrere Komponenten effektiv treiben können.Unabhängig davon, ob Sie eine einfache logische Verbindung oder ein komplexes Multi-Gerätetup-Setup zu tun haben, kann es zur Verbesserung der Leistung und Zuverlässigkeit in Ihrem digitalen System beitragen, zu verstehen, wie Puffer funktionieren und wie sie implementiert werden.

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Wie funktionieren Puffer in digitalen Schaltkreisen?

Ein Puffer -Gate ist eine Art Logik -Tor, um ein digitales Signal zu stärken, ohne seinen logischen Wert zu ändern.Innen funktioniert es, indem es das Signal durch zwei Wechselrichter in Folge weiterleitet.Der erste Wechselrichter dreht das Signal um und der zweite dreht es erneut um.Das Ergebnis ist ein Signal, das genau wie das Original aussieht, aber jetzt ist es in der Lage, die physischen Anforderungen in der Schaltung zu bearbeiten.

Dieses Setup mag zunächst überflüssig erscheinen, spielt aber eine wichtige Rolle.Wenn ein Signal durch einen Stromkreis fährt, kann es schwächen, insbesondere wenn es mehrere Komponenten erreichen oder über längere Strecken zurücklegen muss.Wenn das Signal zu schwach wird, kann es möglicherweise nicht in der Lage sein, andere Teile des Systems zuverlässig ein- oder auszuschalten.

Abbildung 2. Doppelinversion

Hier kommen Puffer ins Spiel. Ihr Hauptzweck ist es, Signale zu verstärken, die zu schwach sind, um die nächste Stufe der Schaltung zu fahren.Alle Logik -Tore können Signale in gewissem Maße stärken, aber für diese Aufgabe werden Puffer speziell erstellt.Sie steigern die Fähigkeit des Signals, den Strom zu beschreiben oder zu sinken, und stellen sicher, dass die elektrische Last ohne "0" zu einem "1" oder umgekehrt umgekehrt wird.

Um diese Funktion zu vereinfachen, bieten die Hersteller spezielle Puffertore an.Diese verwenden ein einfaches Dreiecksymbol, ohne den kleinen Kreis, der einen Wechselrichter markiert.Ihre Rolle ist klar: Behalten Sie den ursprünglichen Logikzustand bei und geben Sie ihm genügend Kraft, um weiter zu reisen und mit mehr Komponenten zu arbeiten.Dies hält digitale Systeme stabil und zuverlässig, selbst wenn die Signalwege lang oder stark beladen sind.

Abbildung 3.. Puffer -Gate -Symbol

Eingang	Ausgabe
0	0
1	1

Pufferschaltung mit einem Open-Collector-Ausgang

Auf den ersten Blick mag ein Puffer unnötig erscheint - es übergibt das Eingangssignal einfach an den Ausgang, ohne seinen Logikpegel zu ändern.Bei Open-Collector-Konstruktionen zeigt die interne Schaltung jedoch einen viel funktionalen Zweck.Diese Puffer bewahren nicht nur den Logikpegel, sondern bieten auch eine verbesserte Antriebsstärke, wodurch sie besonders nützlich für TTL-Schaltungen im hohen Abschluss oder für das Fahren externer Geräte, die mehr Strom erfordern, als ein typisches Logik-Gate liefern kann.

Abbildung 4. Pufferschaltung mit Open-Coollector-Ausgang

Das Schema für einen Open-Collector-Puffer verwendet typischerweise vier Transistoren, die mit Q1 bis Q4 gekennzeichnet sind.Die Schaltung wird unter Verwendung von zwei Wechselrichterstadien erstellt, die nacheinander platziert sind.Die erste Stufe, die aus Q1 und Q2 besteht, kehrt das Eingangssignal um.Die zweite Stufe unter Verwendung von Q3 und Q4 kehrt sie erneut um und restauriert die ursprüngliche Logikpegel am Ausgang.Während die Logik unverändert bleibt, erhält das Signal die Festigkeit, die erforderlich ist, um mehr anspruchsvolle Lasten voranzutreiben.

Logische hohe Eingabe

Wenn das Eingangssignal hoch ist, was bedeutet, dass der Eingangsschalter geöffnet ist, steigt die Spannung am Eingangsknoten in VCC.In diesem Zustand stellt die Diode D1 sicher, dass die Basis-Emitter-Verbindung von Transistor Q1 umgekehrt bleibt.Infolgedessen bleibt Q1 fern und läuft nicht.

Abbildung 5. Analyse hoher Eingangsanalyse

Mit Q1 inaktiv fließt der Strom aus dem Widerstand R1 direkt in die Basis des Transistors Q2.Dieser Strom treibt Q2 in Sättigung ein und lässt sie stark leiten.Q2 bietet dann genügend Basisstrom für Q3, was ebenfalls gesättigt und eingeschaltet wird.

Abbildung 6. Hoher Eingang verursacht keine Leitung

Während der Q3 zieht es die Basis von Q4 in Richtung seiner Emitterspannung.Dadurch wird der Q4 ausgeschaltet oder im Cutoff -Modus.Da der Q4 nicht leitet, bleibt der Ausgang intern getrennt-ein Zustand mit offener Sammlung.Wenn jedoch ein externer Pull-up-Widerstand mit dem Ausgang angeschlossen ist (oder wenn er mit einem TTL-Eingang verkabelt wird), wird die Ausgangsleitung hoch gezogen.Eine logische Hoch am Eingang führt also zu einem hohen Ausgang, wobei der Signalpegel erhalten und bereit ist, die nächste Stufe zu fahren.

Logik niedriger Eingang

Wenn der Eingang niedrig gezogen wird - das Merkmal des Schalters ist geschlossen und mit dem Masse verbunden - ändert sich das Verhalten der Schaltung erheblich.

Abbildung 7. Niedriges Eingangssignal

In diesem Fall fließt der Strom aus dem Widerstand R1 direkt durch den Eingang in den Boden und umgeht die Basis von Q2 vollständig.Dadurch kann Q1 leiten und einschalten.Wenn Q1 aktiviert, wird der Strom von der Basis von Q2 abgeleitet und das Q2 zum Cutoff zwingt.

Wenn der Q2 ausgeschaltet ist, fließt kein Strom in die Basis von Q3, sodass auch Q3 ausgeschaltet bleibt.Jetzt liefert der Widerstand R4 den Basisstrom an den Transistor Q4.Dieser Strom reicht aus, um Q4 zu sättigen und ihn vollständig einzuschalten.

Sobald das v.Infolgedessen erzeugt eine Logik, die am Eingang niedrig ist, eine feste Logik, die bei der Ausgabe niedrig ist und wiederum den ursprünglichen Logikzustand beibehält.

Pufferschaltung mit Totempolausgangstransistoren

In Pufferschaltungen, die einen Totempol-Ausgang verwenden, wird die Ausgangsstufe unter Verwendung einer Push-Pull-Transistorkonfiguration erstellt.Dies bedeutet, dass die Schaltung zwei Transistoren enthält, die so angeordnet sind, dass einer den Ausgang aktiv hoch fährt, während der andere aktiv ihn niedrig zieht.Dieses Setup gibt dem Schaltkreis eine genauere Steuerung über den Spannungsniveau am Ausgang.

Im Gegensatz zu Open-Collector-Puffer, die den Ausgang nur auf den Boden bringen und von externen Komponenten abhängen, um die Spannung zu erhöhen, können Totempolpuffer beide intern ausführen.Ein Transistor verbindet den Ausgang während eines hohen Signals mit der Versorgungsspannung, während der andere ihn während eines niedrigen Signals mit dem Masse verbindet.Diese doppelte Kontrolle führt zu schnelleren und zuverlässigeren Übergängen zwischen den Logikzuständen.

Obwohl die interne Verkabelung der Totempol -Anordnung komplizierter ist, bleibt seine Funktion unkompliziert.Das Ausgangssignal reflektiert direkt den Logikpegel des Eingangs - wenn der Eingang hoch ist, wird der Ausgang hoch angetrieben.Wenn der Eingang niedrig ist, wird der Ausgang niedrig angetrieben.Der Hauptvorteil ist, dass diese Änderungen aktiv und schnell eintreten, was für Hochgeschwindigkeits-Digitalkreise wichtig ist.

Abbildung 8. Schematisches Diagramm mit Totempolausgangstransistoren

Arten von Pufferschaltungen

Digitale Systeme verwenden je nach Anforderungen der Schaltung unterschiedliche Puffertypen.Während alle Puffer darauf abzielen, Signale zu verabschieden, ohne ihren logischen Zustand zu ändern, sind bestimmte Versionen für spezifischere Situationen erstellt.

Nicht invertierender Puffer

Abbildung 9. Nicht invertierender Puffer

Dies ist der unkomplizierteste Typ.Es dauert ein digitales Signal und sendet es unverändert an den Ausgang.Ein hoher Eingang erzeugt einen hohen Ausgang und ein niedriger Eingang führt zu einem niedrigen Ausgang.Es gibt keine Signalinversion, und es sind keine zusätzlichen Kontrolllinien beteiligt.Sein Hauptzweck ist es, das Signal zu stärken und mehr Komponenten zu fördern oder längere Strecken zu fahren, ohne den logischen Zustand zu beeinflussen.

Tri-State-Puffer

Abbildung 10. Tri-State-Puffer

Tri-State-Puffer fügen mehr Flexibilität hinzu, indem ein zusätzlicher Steuereingang aufgenommen wird.Zusammen mit den regulären hohen oder niedrigen Outputs bieten sie einen dritten Zustand: eine hohe Impedanz, die oft als „Z“ bezeichnet wird.In diesem Zustand mit hoher Impedanz trennen der Ausgang die Ausgabe effektiv von der Schaltung.Es treibt die Linie weder hoch noch zieht sie niedrig.Dieser getrennte Zustand wird in budenbasierten Systemen verwendet, in denen mehrere Geräte eine einzige Kommunikationslinie teilen.Durch den Eingeben des Hochzeitsmodus stellt der Puffer sicher, dass er andere Signale auf der Linie nicht beeinträchtigt, sodass nur ein Gerät gleichzeitig kommunizieren kann, ohne elektrische Konflikte zu verursachen.

Drei praktische Möglichkeiten, um eine Pufferlogik zu erstellen

Puffer müssen nicht immer als dedizierte Komponenten implementiert werden.Sie können auch mit grundlegenden Logik -Toren konstruiert werden, abhängig von dem, was im Schaltungsdesign verfügbar ist.Jede der folgenden Methoden behält den Eingangslogikpegel bei gleichzeitiger Verstärkung des Signals bei, wodurch es besser geeignet ist, zusätzliche Lasten zu antreiben.

Verwenden Sie zwei Wechselrichter in Reihe

Abbildung 11. Verwenden von zwei Wechselrichtern in Reihe

Die einfachste Methode besteht darin, zwei nicht nach dem anderen Toren zu platzieren.Der erste Wechselrichter dreht das Eingangssignal um und der zweite dreht es zurück.Diese doppelte Inversion stellt die ursprüngliche Logikpegel am Ausgang wieder her.Obwohl sich der Logikzustand nicht ändert, steigert diese Konfiguration die Signalstärke, da jede Wechselrichterstufe das Signal überholt, bevor es weitergegeben wird.

Verwenden Sie ein und ein Tor

Abbildung 12. Verwenden eines und Gate

Eine andere Methode verwendet ein Standard mit zwei Eingängen und einem Gate, wobei beide Eingänge mit demselben Signal verbunden sind.Da A und A gleich A sind, stimmt der Ausgang immer mit dem Eingang überein.Dieses Setup arbeitet als Puffer und bietet den zusätzlichen Vorteil der Signalkonditionierung, insbesondere wenn das Tor Teil einer logischen Familie mit guter Antriebsfunktion ist.

Verwenden eines oder Tors

Abbildung 13. Verwenden eines oder Gate

Ein ähnlicher Ansatz kann mit einem oder einem Tor gewählt werden.Wenn beide Eingänge an dasselbe Signal gebunden sind, ist das Ergebnis A oder A, das ebenfalls A. wie die beiden anderen Methoden entspricht, diese Konfiguration bewahrt die Logikpegel und verstärkt das Signal für eine bessere Zuverlässigkeit über verbundene Geräte hinweg.

Jede dieser drei Methoden führt die Kernfunktion eines Puffers aus, wobei ein Signal vorwärts steigt, ohne seinen logischen Zustand zu ändern. Damit verbessert es seine Fähigkeit, Last oder Übertragung über den Abstand zu bewältigen.

Pufferimplementierung in der CMOS -Logik

In der CMOS-Technologie (komplementäre Metal-Oxid-Semiconductor) werden Pufferschaltungen üblicherweise gebaut, indem zwei Wechselrichter nacheinander platziert werden.Jeder Wechselrichter besteht aus zwei Transistoren - einer PMOS und einem NMOs - in einer komplementären Konfiguration.Dieses Design stellt sicher, dass während des Umschaltens, die Reduzierung der Stromverbrauch und die Verbesserung der Gesamteffizienz jeweils nur ein Transistor durchführt.

Abbildung 14. Pufferimplementierung in der CMOS -Logik

Wenn das Signal den ersten Wechselrichter durchläuft, wird der Logikpegel umgekehrt.Der zweite Wechselrichter dreht es in seinen ursprünglichen Zustand zurück.Obwohl das Signal unverändert endet, verbessert der Prozess seine Stärke und Integrität.Diese Doppelinverterstruktur bietet auch mehrere praktische elektrische Vorteile.

Erstens hat der Eingang eines CMOS -Wechselrichters eine sehr hohe Impedanz, was bedeutet, dass er aus der vorhergehenden Stufe fast keinen Strom zeichnet.Zweitens hat der Ausgang eine geringe Impedanz, sodass er die nächste Komponente effektiv fahren kann.Drittens bleibt der Stromverbrauch niedrig, wenn der Schaltkreis nicht wechselt. Dies ist ein wichtiger Grund, warum die CMOS-Technologie in digitalen Systemen batteriebetriebener und hoher Dichte bevorzugt wird.Aufgrund dieser Merkmale - eine Signalkonditionierung, minimaler Stromverlust und ein effizientes Lastantrieb - werden CMOS -Puffer in modernen integrierten Schaltungen für alles, von Mikroprozessoren bis hin zu Speicherschnittstellen, häufig verwendet.

Puffer durch das Switch -Modell verstehen

Während die tatsächlichen Pufferschaltungen nicht auf mechanische Schalter angewiesen sind, kann die Verwendung eines Schalters als konzeptionelles Modell helfen, zu erklären, wie Puffer sich verhalten.Stellen Sie sich einen Puffer als ähnlich wie bei einem einpoligen Single-Throw-Switch (SPST), einem Basistyp von Schalter, der einen Pfad angeschlossen oder abgrenzen, vor.

In diesem Modell wird der Schalter als geschlossen angesehen.Dadurch wird eine Verbindung zwischen Eingang und Ausgabe erstellt, sodass das Signal direkt durchlaufen kann.Die Ausgabe stimmt dann mit dem Eingang überein und bleibt hoch, sofern der Eingang hoch bleibt.Wenn der Eingang auf eine logische niedrige Ebene (eine "0") fällt, wird der Schalter als offen angesehen.In diesem Zustand wird der Pfad zwischen Eingang und Ausgang unterbrochen.Da kein aktives Signal durchkommt, bleibt der Ausgang niedrig.

Abbildung 15. Puffer durch das Switch -Modell

Diese vereinfachte Ansicht erfasst nicht die internen Funktionen von Transistoren und Spannungsstufen, bietet jedoch eine nützliche Möglichkeit, sich zu visualisieren, was ein Puffer tut: Es wirkt wie eine kontrollierbare Signalverbindung, die den Eingang entweder direkt an den Ausgang übergibt oder ihn je nach Eingang auf einer niedrigen Ebene verlässt.Das Modell ist besonders hilfreich, wenn Puffer in digitale Logiksysteme eingeführt werden, bei denen die Idee des Signalflusss und der Steuerung intuitiv sein muss.

Abschluss

Puffer mögen wie einfache Komponenten erscheinen, aber ihre Auswirkungen auf die Schaltungsstabilität und die Signalklarheit sind erheblich.Von grundlegenden Zwei-Überwacher-Konstruktionen bis hin zu Open-Collector- und Totem-Pol-Konfigurationen spielen Puffer eine ernsthafte Rolle bei der Verstärkung der Logikwerte und zur Verhinderung des Signalabbaues.Ihre Fähigkeit, Stufen zu isolieren, Lasten und gemeinsame Bussysteme zu unterstützen, macht sie nützliche Bausteine ​​in diskreten Logikdesigns und integrierten CMOS -Systemen.Wenn Sie ihr Verhalten beherrschen, können Sie eine bessere Kontrolle über das Timing, die Geräuschimmunität und die Gesamtkreis -Effizienz haben.

Häufig gestellte Fragen [FAQ]

1. Was ist das Puffertor?

Ein Puffer -Gate ist ein digitales Logik -Gate, das den gleichen Wert ausgibt, den er empfängt - wenn der Eingang hoch ist, ist der Ausgang hoch.Wenn der Eingang niedrig ist, ist der Ausgang niedrig.Seine Hauptaufgabe ist es nicht, den logischen Zustand zu ändern, sondern das Signal zu stärken, damit es längere Strecken zurücklegen oder mehrere Komponenten ohne Abbau treiben kann.

2. Was ist der Zweck eines Puffers in der Logik?

Der Zweck eines Puffers in logischen Schaltkreisen besteht darin, schwache digitale Signale zu verstärken und sicherzustellen, dass sie ihren beabsichtigten Zustand beibehalten, wenn sie an andere Komponenten übergeben werden.Puffer werden verwendet, um die Signalstärke zu verbessern, einen Teil einer Schaltung von einem anderen zu isolieren und die Fan-Out-Anforderung zu unterstützen, wenn ein einzelnes Signal mehrere Eingänge antreiben muss.

3. Was ist die Funktion des Protein -Gate?

Ein Protein -Gate, das in biologischen Systemen gefunden wurde, fungiert als selektiver Durchgang in Zellmembranen, die die Bewegung von Ionen oder Molekülen in und aus der Zelle steuert.Diese Tore reagieren auf spezifische Auslöser wie elektrische Spannung oder chemische Signale und regulieren die erforderlichen Prozesse wie Nährstofftransport, elektrische Signalübertragung und Zellbilanz.

4. Was ist ein einzelnes Puffertor?

Ein einzelnes Puffer -Gate ist ein eigenständiges Logik -Gate mit einem Eingang und einem Ausgang, das ein Signal an einem bestimmten Punkt in einer Schaltung beseitigt oder verstärkt.Es hilft dabei, ein digitales Signal in seine volle Festigkeit wiederherzustellen, insbesondere wenn dieses Signal eine lange Strecke auf einer Leiterplatte zurücklegen oder eine Komponente vorantreiben muss, die einen stärkeren Eingang erfordert.

5. Welches Logik -Tor fungiert als Puffer?

Eine Pufferfunktion kann erreicht werden, indem zwei nicht in Serie angeschlossene Tore angeschlossen werden, da die Doppelinversion das ursprüngliche Signal auszieht und reproduziert.In der Praxis können Sie jedoch häufig dedizierte Puffer -Gates verwenden - wie bei den Puffer -ICs -, weil sie so konzipiert sind, dass sie einen höheren Strom und eine verbesserte Signalintegrität liefern, ohne die Signallogik zu ändern.