數字緩沖器和三態緩沖器可在數字電路中提供電流放大以驅動輸出負載

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

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

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

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

然后數字緩沖器可以被視為應用Boole冪等律的冪等門，因為當輸入通過該設備時，其值不是改變。因此數字緩沖區是一個“非反相”設備，因此將給我們布爾表達式： Q = A 。

然后我們可以定義單個邏輯運算輸入數字緩沖區為：

“Q為真，僅當A為真時”

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

單輸入數字緩沖區

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

使用雙反轉NOT Gates

您可能正在思考，如果數字緩沖區沒有反轉，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，非反相數字緩沖器確實在數字電子產品中有許多用途，其主要優點之一是它提供數字放大。

數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。數字緩沖器也可用于驅動高電流負載，例如晶體管開關，因為它們的輸出驅動能力通常遠高于其輸入信號要求。換句話說，緩沖器可用于數字信號的功率放大，因為它們具有所謂的高“扇出”能力。

數字緩沖區扇出示例

扇出參數緩沖器（或任何數字IC）的輸出驅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。可能需要將多個邏輯門連接到另一個邏輯門的輸出或切換高電流負載（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，因此每個額外的柵極連接都會增加柵極的負載。因此，扇出是可以由邏輯門的一個數字緩沖器同時驅動的并行負載的數量。作為電流源，緩沖器可以具有高達同一邏輯系列的20個門的扇出額定值。

如果數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（當前下沉）。然而，門的傳播延遲隨著扇入而迅速惡化，因此應該避免扇入大于4的門。

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

“三態”緩沖區“

除了上面看到的標準數字緩沖器之外，還有另一種類型的數字緩沖電路，其輸出可以在需要時與其輸出電路”電子地“斷開。此類緩沖區稱為 3狀態緩沖區，或更常見的是三態緩沖區。

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

然后三態緩沖器需要兩個輸入。一個是數據輸入，另一個是啟用或控制輸入，如圖所示。

三態緩沖開關等效

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

注意，這第三個狀態不等于邏輯電平“0”或“1”，而是一個高阻態，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緩沖器，一組輸出通過“Active-HIGH “控制信號產生反相或非反相輸出，另一組緩沖器輸出由”Active-LOW“控制信號控制產生反相或非反相輸出反轉輸出如下所示。

激活“HIGH”三態緩沖區

高電平三態緩沖器，例如74LS241八進制緩沖器，當邏輯電平“1”應用于其“使能”時被激活控制線和數據從其輸入傳遞到其輸出。當使能控制線處于邏輯電平“0”時，緩沖器輸出被禁用，輸出端出現高阻抗條件 Hi-Z 。

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

有效“高電平”反相三態-state Buffer

當邏輯電平激活時，高電平有效的反相三態緩沖器（如74LS240八進制緩沖器）的輸出被激活“1”應用于其“啟用”控制線。輸入處的數據傳遞到輸出，但反轉產生輸入的補碼。當邏輯電平“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 。

相同的兩個三態緩沖器也可以使用低電平有效使能輸入實現，如圖所示。

激活“低電平”三態緩沖區

低電平有效三態緩沖器與上述相反，當邏輯電平“0”應用于其“時被激活使“控制線。數據從其輸入傳遞到其輸出。當使能控制線處于邏輯電平“1”時，緩沖器輸出被禁用，輸出端出現高阻抗條件 Hi-Z 。

有效“低電平” “反轉三態緩沖區

低電平反轉三態緩沖區與上述相反，因為當邏輯電平“0”應用于其“啟用”控制線時，其輸出被啟用或禁用。當緩沖區由邏輯“0”使能時，輸出是其輸入的補碼。當使能控制線處于邏輯電平“1”時，緩沖器輸出被禁用，輸出端出現高阻抗條件 Hi-Z 。

三態緩沖控制

我們已經看到，緩沖器可以在數字電路中提供電壓或電流放大，它也可以用于反轉輸入信號。我們還看到數字緩沖器以三態形式提供，允許輸出有效地關斷，產生相當于開路的高阻抗狀態（Hi-Z）。

三態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據。例如，假設我們有一條數據線或數據總線，其中包含一些內存，外設，I / O或連接到它的CPU。這些設備中的每一個都能夠在此單一數據總線上相互發送或接收數據，同時產生所謂的爭用。

當多個設備連接在一起時會發生爭用，因為有些設備想要將輸出驅動為高電平而某些設備為低電平。如果這些設備同時開始發送或接收數據，當一個設備向總線輸出邏輯“1”（電源電壓）時，可能會發生短路，而另一個設備則設置為邏輯電平“0”或接地，導致短路情況，可能會損壞設備以及丟失數據。

數字信息通過這些數據總線或數據高速公路串行發送，一次發送一次，或者可能由八個（或更多）導線以并聯形式連接在一起，例如在微處理器數據總線中，允許多個三態緩沖器連接到同一數據通道，而不會損壞或丟失數據，如圖所示。

狀態緩沖區數據總線控制

然后，三態緩沖區可用于隔離設備和電路數據總線和彼此。如果幾個三態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緩沖器有效，而其他器件處于高阻態。連接到4線數據總線的三態緩沖器示例如下所示。

三態緩沖器控制

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

當通過啟用線， EN A <將有效HIGH信號施加到三態緩沖器時，數據組“A”中的數據只能傳輸到公共總線/跨度>。在所有其他時間，它表示有效地與數據總線隔離的高阻抗條件。

同樣，當通過 EN <施加使能信號時，數據集“B”僅將數據傳遞到總線。子>乙 。連接在一起控制數據集的三態緩沖器的一個很好的例子是TTL 74244八進制緩沖器。

還可以連接三態緩沖器“返回到 - 返回“產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，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，使得數據既被“讀取”又被“發送”到相同的數據總線。在這種類型的應用中，可以使用具有雙向開關功能的三態緩沖器，例如TTL 74245。

我們已經看到三態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入高阻態（ Hi-Z ）狀態。三態輸出用于許多集成電路和數字系統，而不僅僅用于數字三態緩沖器。

數字緩沖器和三態緩沖器都可用于提供電壓或電流放大，從而驅動高負載，如作為繼電器，燈或功率晶體管，而不是傳統的邏輯門。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。

我們已經看到，如果將多個三態設備連接在一起并且只要選擇一個，則可以創建數據總線。任何時候，都沒有問題。三態總線允許多個數字設備通過I / O信號和地址解碼在同一數據總線上輸入和輸出數據。

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

常用數字緩沖器和三態緩沖器IC包括：

TTL邏輯數字緩沖器

74LS07十六進制非反相緩沖器

74LS17十六進制緩沖器/驅動器

74LS244八路緩沖器/線路驅動程序

74LS245八進制雙向緩沖區

CMOS邏輯數字緩沖區

CD4050十六進制非反相緩沖器

CD4503十六進制三態緩沖器

HEF40244三態八進制緩沖器

74LS07數字緩沖區

74LS244八態三態緩沖器