¿Cuál es el propósito de una puerta de búfer?

Los búferes se utilizan cuando se necesita ... bueno ... un búfer. Como en el significado literal de la palabra. Se utilizan cuando necesita almacenar la entrada de la salida. Hay innumerables formas de usar un búfer. Hay buffers de compuerta lógica digital, que son pasantes a través de la lógica, y hay buffers analógicos, que actúan como pasajes a través de una tensión analógica. Este último está fuera del alcance de su pregunta, pero si tiene curiosidad, busque "seguidor de voltaje".

Entonces, ¿cuándo o por qué usarías uno? Al menos cuando el búfer más simple y más barato de todos, ¿un cable de cobre / traza está fácilmente disponible?

Aquí hay algunas razones:

1. Aislamiento lógico. La mayoría de los buffers tienen un pin ~ OE o similar, un pin de habilitación de salida. Esto le permite convertir cualquier línea lógica en una triple. Esto es especialmente útil si desea poder conectar o aislar dos buses (con búferes si es necesario), o tal vez solo un dispositivo. Un búfer, al ser un búfer entre esas cosas, te permite hacer eso.

2. Traducción de nivel. Muchos búferes permiten que el lado de salida se alimente desde un voltaje diferente al del lado de entrada. Esto tiene usos obvios para traducir niveles de voltaje.

3. Digitalización / repetición / limpieza. Algunos búferes tienen histéresis, por lo que pueden tomar una señal que intenta ser digital, pero que no tiene muy buenos tiempos de subida o no está jugando bien con los umbrales o Lo que sea, y límpielo y conviértalo en una señal digital agradable, nítida y limpia.

4. Aislamiento físico Tienes que enviar una señal digital más lejos de lo que quieres, las cosas son ruidosas y un búfer es un gran repetidor. En lugar de un pin GPIO en el extremo receptor que tiene un pie de rastro de pcb conectado a él, que actúa como una antena, un inductor y un condensador, y literalmente vomita lo que quiera que sea el ruido y la repugnancia que desea directamente en la boca abierta de ese pin, utiliza una buffer. Ahora el pin GPIO solo ve la traza entre él y el búfer, y los bucles actuales están aislados. Diablos, incluso puede terminar la señal correctamente ahora, como con una resistencia de 50Ω (o lo que sea), porque también tiene un búfer en el extremo de transmisión y puede cargarlos de manera que nunca podría cargar un pequeño pin µC pequeño.

5. Conducción de cargas. Su fuente de entrada digital es de alta impedancia, demasiado alta para interconectarse con el dispositivo que desea controlar. Un ejemplo común podría ser un LED. Así que usas un búfer. Selecciona uno que puede conducir, digamos, un fuerte 20mA fácilmente, y maneja el LED con el búfer, en lugar de la señal lógica directamente.

Ejemplo: desea que los LED de indicación de estado se parezcan a un bus I2C, pero agregar LED directamente a las líneas I2C podría causar problemas de señalización. Entonces usas un búfer.

6. Sacrificio . Los tampones a menudo tienen varias características de protección, como la protección ESD, etc. Y a menudo no lo hacen. Pero de cualquier manera, actúan como un amortiguador entre algo y otra cosa. Si tienes algo que podría experimentar algún tipo de condición transitoria que podría dañar algo, colocas un búfer entre esa cosa y la fuente transitoria.

Dicho de otra manera, a los chips les encanta explotar casi tanto como a los semiconductores. Y la mayoría de las veces, cuando algo sale mal, los chips explotan. Sin búferes, a menudo, lo que sea transitorio que esté haciendo saltar los chips hacia la izquierda y hacia la derecha alcanzará lo más profundo de su circuito y destruirá un montón de chips a la vez. Los buffers pueden prevenir eso. Soy un gran fan del tampón de sacrificio. Si algo va a explotar, preferiría que fuera un búfer de 50 ¢ y no un FPGA de $ 1000.

Esas son algunas de las razones más comunes que se me ocurren en la cabeza. Estoy seguro de que hay otras situaciones, tal vez obtendrá más respuestas con más usos. Creo que todos estarán de acuerdo en que los búferes son terriblemente útiles, incluso si a primera vista parecen bastante inútiles.

Las puertas de búfer simples tienen algunas aplicaciones:

• En los días anteriores, allí donde fan-out se limitaba a una salida lógica, cuando se alimentaba a varias entradas subsiguientes. Si recuerdo bien, fue alrededor de 5 para TTL LS. Entonces, si usó una salida para alimentar más de 5 entradas, los niveles lógicos ya no estaban garantizados. Podrías usar buffers para resolver este problema. Cada búfer podría alimentar otras 5 entradas (con un poco de retraso involucrado). Ahora, con CMOS, ya no es realmente relevante, el fanout es un orden de magnitud mayor y nunca es un problema.
• Se puede usar para "amplificar" una señal débil. Si la señal tiene una impedancia muy alta y desea utilizarla como entrada de un circuito que tiene una impedancia de entrada baja, los niveles lógicos no estarían dentro de las especificaciones. Tal vez este sea el uso en su ejemplo específico.
• Se puede usar como una pequeña línea de retardo.
• Generalmente, el búfer tiene una entrada de activación schmitt (pero luego usualmente dibujamos un pequeño signo de "histéresis": ⎎ en el triángulo del búfer, y parece que no es su caso). Por lo tanto, si el nivel lógico está entre alto y bajo, la salida aún está definida de manera predecible (se mantiene en el nivel que es). Esto tiene mucho uso cuando se conectan señales analógicas (por ejemplo, provenientes de sensores) a entradas digitales.

Aparte de eso, no hay muchos usos de la misma. Es por eso que no los encontramos fácilmente, en realidad.

Los amortiguadores se utilizan cuando es necesario para cumplir con los requisitos de no función, a menudo la velocidad (o la impedancia de entrada / salida, que afecta a la velocidad). Un circuito abstracto a menudo no muestra suficientes detalles para apreciar esta necesidad. En su circuito, R1 puede ser demasiado alto para conducir lo que está conectado a la salida a bajo de una manera rápida y confiable.

Otra razón podría ser que el búfer contiene protección de salida (limitación actual, protección ESD).