بافر دیجیتال

بافرهای دیجیتال و بافرهای سه‌حالته، می‌توانند تقویت جریان را در یک مدار دیجیتال، برای پیش‌رانی بارهای خروجی، فراهم کنند.

در یکی از مقاله‌های قبل، نگاهی به گیت Not دیجیتال، که معمولا وارون‌ساز نامیده می‌شود؛ داشتیم و دیدیم؛ که حالت خروجی گیت‌های NOT، مکمل، مخالف یا معکوس سیگنال ورودی آن است.

پس، برای مثال، هنگامی‌که، تک ورودی گیت NOT، در حالت “HIGH” است؛ خروجی آن در حالت “HIGH” نخواهدبود (NOT) و هنگامی‌که، ورودی سیگنال در حالت “LOW” است؛ خروجی آن در حالت “LOW” نخواهدبود (NOT). به بیان دیگر، از آنجایی‌که نام “وارون‌ساز” دارد؛ سیگنال ورودی خود را “معکوس” می‌کند.

اما گاهی در مدارهای الکترونیکی دیجیتال، نیاز است؛ تا گیت‌های منطقی را از یکدیگر ایزوله کنیم یا از آنها برای راندن یا سوئیچ بالاتر از بارهای معمول، مانند رله‌ها، سلونوئیدها یا لامپ‌ها بدون نیاز به وارون‌شدن، استفاده کنیم. یک نوع از گیت منطقی تک ورودی، که این کار را برای ما انجام می‌دهد؛ بافر دیجیتال است.

برخلاف وارون‌ساز تک ورودی-تک خروجی یا گیت NOT مانند TTL7404، که سیگنال ورودی خود را در خروجی معکوس یا مکمل می‌کند؛ یک بافر، هیچ قابلیت وارون‌سازی یا تصمیم‌گیری (همانند گیت‌های منطقی دو ورودی یا بالاتر) را ندارد؛ اما به‌جای آن، یک خروجی کاملا منطبق بر ورودی خود ایجاد می‌کند. به بیان دیگر، بافر دیجیتال، کار خاصی انجام نمی‌دهد و تنها حالت خروجی آن با ورودی اش برابر است.

پس بافرهای دیجیتال را می‌توان به‌عنوان گیت‌های همانی که قانون همانی بول را پیاده می‌کنند؛ درنظر گرفت. زیرا زمانی‌که، یک ورودی از قطعه می‌گذرد؛ ارزش آن تغییری نمی‌کند. بنابراین، بافر دیجیتال، یک قطعه‌ی ناوارون‌ساز است و از این رو دارای عبارت بولی Q=A است.

پس ما می‌توانیم عملکرد منطقی یک بافر دیجیتال تک ورودی را به‌صورت زیر تعریف کنیم:

Q” تنها زمانی صحیح (true) است؛ که A صحیح (true) باشد.”

به بیان دیگر، حالت خروجی (Q) تنها زمانی صحیح (true) و در منطق “1” است؛ که A صحیح (true) باشد؛ در غیر این‌صورت، خروجی غلط (منطق “0”) خواهد بود.

بافر دیجیتال تک ورودی

جدول درستی

به صورت A به ما Q را می‌دهد؛ خوانده می‌شود

نماد

عبارت بولی Q = A 

بافر دیجیتال را می‌توان با استفاده از اتصال دو گیت NOT به یکدیگر، همانند زیر ساخت. اولین گیت، سیگنال ورودی A را “معکوس” می‌کند و دومی “دوباره معکوس” می‌کند و آن را به سطح اولیه خود بر می‌گرداند و عمل دوبار معکوس‌سازی ورودی را انجام می‌دهد.

دوبار معکوس‌سازی با گیت‌های NOT

شما ممکن است؛ فکر کنید؛ که اگر بافر دیجیتال معکوس نمی‌کند و سیگنال ورودی خود را تغییر نمی‌دهد و قادر به تصمیم‌گیری و انجام عملیاتی مانند گیت‌های AND یا OR نیست؛ چه سودی در وجود آن است و چرا یک سیم را به جای آن استفاده نکنیم؟ و این نکته‌ی خوبی است. اما یک بافر دیجیتال ناوارون‌ساز، دارای کاربردهای بسیاری در الکترونیک دیجیتال است و یکی از مزایای آن، فراهم‌کردن تقویت دیجیتال است.

بافرهای دیجیتال می‌توانند برای ایزوله‌سازی سایر گیت‌ها یا مراحل مدار از یکدیگر استفاده شوند و مانع از این شوند؛ که امپدانس یک مدار بر دیگری، اثر بگذارد. یک بافر دیجیتال، برای پیش‌رانی بارهای جریان بالا مانند سوئیچ‌های ترانزیستور، نیز می‌تواند استفاده شود؛ زیرا قابلیت راندن خروجی آن‌، در حالت کلی، بسیار بیشتر از الزامات سیگنال ورودی آن‌ است. به بیان دیگر، بافرها را می‌توان برای تقویت توان یک سیگنال دیجیتال بکار برد؛ زیرا دارای قابلیت “ظرفیت خروجی” بالایی می‌باشند.

مثال ظرفیت خروجی بافر دیجیتال

پارامتر ظرفیت خروجی یک بافر( یا هر آی‌سی دیجیتال دیگری)، قابلیت راندن خروجی یا قابلیت جریان خروجی یک گیت منطقی است؛ که تقویت توان بزرگتری را برای یک ورودی سیگنال فراهم می‌کند. ممکن است؛ ضروری باشد؛ که بیش از یک گیت منطقی را به خروجی دیگری یا بار جریان بالا مانند یک LED متصل کنیم و یک بافر، این اجازه را به ما می‌دهد.

در حالت کلی، خروجی یک گیت منطقی، معمولا به ورودی‌های گیت‌های دیگر متصل می‌شود. هر ورودی برای تغییر حالت، به مقدار مشخصی جریان از خروجی گیت نیاز دارد و اتصال هر گیت اضافی بر بار گیت می‌افزاید. پس ظرفیت خروجی، تعداد بارهای موازی است؛ که می‌تواند به‌طور همزمان توسط یک بافر دیجیتال یک گیت منطقی رانده شود. اگر به‌عنوان یک منبع جریان عمل کند؛ یک بافر می‌تواند دارای نرخ ظرفیت خروجی بالا تا ۲۰ گیت از یک خانواده‌ی منطقی باشد.

اگر یک بافر دارای نرخ ظرفیت خروجی بالا( منبع جریان) باشد؛ باید دارای نرخ ورودی بالا( سینک جریان) نیز باشد. با این وجود، تاخیر انتشار یک گیت، به‌سرعت رو به وخامت می‌رود؛ زیرا برای یک تابع با ظرفیت ورودی، باید از گیت‌هایی با ظرفیت ورودی بیش از ۴ اجتناب کرد.

پس محدودیتی برای تعداد اتصال ورودی‌ها و خروجی‌ها به یکدیگر وجود دارد و در عمل و زمانی‌که نیاز داریم تا گیت‌ها را از هم جدا کنیم؛ از بافر سه‌حالته (Tri-state) یا درایور خروجی سه‌حالته، استفاده می‌کنیم.

بافر سه حالته

در کنار بافر دیجیتال استانداردی که در بالا دیده شد؛ نوع دیگری از مدار بافر دیجیتال وجود دارد؛ که خروجی آن می‌تواند در صورت نیاز، “از نظر الکترونیکی” از مدارات خروجی آن قطع شود. این نوع بافر، به‌عنوان بافر سه‌حالته شناخته می‌شود.

یک بافر سه‌حالته را می‌توان یک سوئیچ کنترل‌شده‌ی ورودی با خروجی در نظر گرفت؛ که می‌تواند از نظر الکترونیکی، با استفاده از یک سیگنال ورودی “فعال‌ساز (EN)” یا “کنترلی”، “خاموش (OFF)” یا “روشن (ON)” شود. این سیگنال کنترلی، می‌تواند یک سیگنال نوع منطق “1” یا منطق “0” باشد؛ که درنتیجه به بافر سه‌حالته اجازه می‌دهد؛ تا یک حالت داشته باشد؛ که بتواند به‌طور معمول خروجی موردنیاز را تولید کند یا خروجی را مسدود و قطع نماید.

پس، بافر سه‌حالته، به دو ورودی نیاز دارد. یک ورودی به‌عنوان ورودی داده و یک ورودی دیگر، که ورودی کنترل یا فعال‌ساز باشد؛ همانگونه که در زیر نشان داده شده‌است.

معادل سوئیچ بافر سه حالته

زمانی‌که، در حالت سوم خود فعال می‌شود؛ خروجی خود را غیرفعال یا “خاموش (OFF)” می‌کند و شرایط مدار بازی را ایجاد می‌کند؛ که نه در منطق “HIGH” و نه منطق “LOW” است؛ اما به‌جای آن، یک حالت خروجی با امپدانس بسیار بالا،High-Z یا نام معمول‌تر Hi-Z را ارائه می‌دهد. پس این نوع قطعه، دارای دو سطح ورودی “0” و یا “1” است؛ اما سه سطح خروجی متفاوت “0” ، “1” و “Hi-Z” را تولید می‌کند و از این‌رو، قطعه‌ی “3 حالته” نامیده می‌شود.

توجه داشته باشید؛ که این حالت سوم برابر با منطق “۰” و یا “۱” نیست؛ بلکه یک حالت امپدانس بالا است؛ که خروجی بافر از لحاظ الکتریکی از دیگر قسمت‌های مدار جدا می‌شود. درنتیجه، هیچ جریانی از منبع، کشیده نمی‌شود.

چهار نوع متفاوت از بافر سه‌حالته وجود دارد؛ یک نوع این است؛ که فعال‌سازی یا غیرفعال‌شدن خروجی توسط سیگنال کنترل Active-HIGH”(فعال-بالا)“ انتخاب می‌شود و خروجی وارون یا غیر وارون را تولید می‌کند و دیگری، نوعی است؛ که خروجی بافر توسط سیگنال کنترل “Active-LOW(فعال-پایین)“ کنترل می‌شود و خروجی وارون یا غیر وارون را تولید می‌کند؛ که در زیر آمده است.

بافر سه‎ حالته Active HIGH

جدول درستی

نماد

به صورت خروجی = ورودی اگر فعالساز برابر با ۱ باشد؛ خوانده می‌شود

یک بافر سه‌حالته Active-high مانند بافر هشت‌تایی 74LS241، زمانی فعال می‌شود؛ که سطح منطقی “1” به خط کنترل “فعال‌ساز” آن، اعمال شود و داده از ورودی به سمت خروجی بگذرد. زمانی‌که خط کنترل فعال‌ساز، در سطح منطقی “0” است؛ خروجی بافر غیرفعال شده و یک شرایط امپدانس بالا، Hi-Z در خروجی حاضر می‌شود.

یک بافر سه‌حالته Active-high، همچنین می‌تواند دارای خروجی وارون و نیز حالت امپدانس بالا باشد؛ که یک بافر وارونگر سه‌حالته Active-high، همانطور که نشان داده شده‌است؛ ایجاد می‌کند.

بافر سه‎ حالته معکوس کننده Active HIGH

جدول درستی

نماد

به صورت خروجی = ورودی وارون شده، اگر فعالساز برابر با ۱ باشد؛ خوانده می‌شود

خروجی یک بافر سه‌حالته active-high مانند بافر هشت‌تایی 74LS240، زمانی فعال می‌شود؛ که سطح منطقی “1” به خط کنترل “فعال‌ساز” آن، اعمال شود و داده از ورودی به سمت خروجی بگذرد؛ اما معکوس‌شده و مکمل ورودی را تولید می‌کند. زمانی‌که خط کنترل فعال‌ساز، LOW و در سطح منطقی “0” است؛ خروجی بافر غیرفعال شده و در شرایط امپدانس بالا، Hi-Z خواهدبود.

همانند این دو بافر سه‌حالته، برای ورودی فعال‌ساز active-low نیز همانند زیر، می‌تواند پیاده‌سازی شود.

بافر سه‎ حالته Active LOW

جدول درستی

نماد

به صورت خروجی = ورودی؛ اگر فعالساز برابر با 1 نباشد (NOT)؛ خوانده می‌شود

یک بافر سه‌حالته Active-low مخالف بالا است و زمانی فعال می‌شود؛ که سطح منطقی “0” به خط کنترل “فعال‌ساز” آن، اعمال شود و داده از ورودی به سمت خروجی بگذرد. زمانی‌که خط کنترل فعال‌ساز، در سطح منطقی “1” است؛ خروجی بافر غیرفعال شده و یک شرایط امپدانس بالا، Hi-Z در خروجی حاضر می‌شود.

بافر سه‎ حالته وارونگر Active LOW

جدول درستی

نماد

به صورت خروجی = ورودی وارون شده؛ اگر فعالساز برابر با 1 نباشد (NOT)؛ خوانده می‌شود

یک بافر سه‌حالته Active-low  وارون‌ساز مخالف بالا است و زمانی خروجی آن، فعال می‌شود؛ که سطح منطقی “0” به خط کنترل “فعال‌ساز” آن، اعمال شود. زمانی‌که بافر توسط منطق “0” فعال می‌شود؛ خروجی مکمل ورودی است. زمانی‌که خط کنترل فعال‌ساز، در سطح منطقی “1” است؛ خروجی بافر غیرفعال شده و یک شرایط امپدانس بالا، Hi-Z در خروجی حاضر می‌شود.

کنترل بافر ۳ حالته

در بالا دیدیم؛ که یک بافر می‌تواند تقویت ولتاژ یا جریان را در یک مدار دیجیتال فراهم کند و می‌تواند برای وارون‌سازی سیگنال ورودی نیز استفاده شود. همچنین دیدیم؛ که بافرهای دیجیتال، به شکل سه‌حالته نیز در دسترس می‌باشند و اجازه می‌دهند؛ که خروجی به‌طور موثری سوئیچ خاموش باشد و معادل حالت امپدانس بالا(Hi-Z) را در مدار باز تولید کند.

بافر سه‌حالته، در بسیاری از مدارهای الکترونیکی و میکروپروسسوری استفاده می‌شود؛ چرا که اجازه می‌دهد؛ چند قطعه‌ی منطقی بدون آسیب یا از دست‌رفتن داده، به یک سیم یا گذرگاه، متصل شوند. برای مثال، فرض کنید؛ که یک خط یا گذرگاه داده داریم؛ که حافظه، اجزای جانبی، ورودی/خروجی و CPU به آن متصل است. هریک از این دستگاه‌ها، قادر به ارسال و دریافت داده به یکدیگر، برروی این تک گذرگاه داده، به‌صورت همزمان می‌باشند و چیزی به نام رقابت را ایجاد می‌کنند.

رقابت، زمانی رخ می‌دهد؛ که چندین دستگاه به یکدیگر متصل هستند و برخی می‌خواهند خروجی بالا و برخی پایین داشته باشند. اگر این دستگاه‌ها، شروع به ارسال و دریافت داده به‌صورت همزمان نمایند؛ یک شرایط مدار باز ممکن است؛ رخ دهد. زمانی‌که، یک دستگاه، خروجی منطق ۱ منبع تغذیه را به‌عنوان خروجی روی گذرگاه می‌گذارد و دیگری خروجی منطق ۰ یا زمین را به‌عنوان خروجی انتخاب می‌کند؛ نتیجه به‌صورت شرایط مدار باز خواهد بود و احتمال آسیب به دستگاه و نیز از دست‌دادن داده نیز وجود دارد.

اطلاعات دیجیتالی که برروی این گذرگاه‌ها یا بزرگراه‌های داده، به‌صورت سریالی ارسال می‌شود؛ یک بیت در زمان بوده و یا ممکن است؛ تا هشت (یا بیشتر) سیم به‌شکل موازی، مانند یک گذرگاه داده‌ی میکروپروسسور باشند؛ که به چند بافر سه‌حالته اجازه می‌دهد؛ به یک بزرگراه داده بدون آسیب یا از دست‌رفتن داده، همانند زیر، متصل شوند.

کنترل گذرگاه داده بافر سه ‎حالته

پس، یک بافر سه‌حالته می‌تواند برای ایزوله‌کردن دستگاه‌ها یا مدارات از یک گذرگاه داده و نیز یکدیگر، استفاده شود. اگر خروجی‌های چند بافر سه‌حالته، به‌صورت الکتریکی به‌هم متصل باشند؛ از دیکدرها استفاده می‌شود؛ تا تنها یک مجموعه از بافرهای سه‌حالته در هر زمان فعال باشند؛ درحالی‌که، دستگاه‌های دیگر در حالت امپدانس بالای خود قرار دارند. نمونه‌ای از بافرهای سه‌حالته‌ی متصل به یک گذرگاه داده‌ی ۴ سیمی در زیر نشان داده شده‌است.

کنترل بافر سه ‎حالته

این مثال پایه، نشان می‌دهد؛ که چگونه می‌توان از یک دیکدر باینری برای کنترل تعدادی از بافرهای سه‌حالته، به‌صورت تنها یا باهم در مجموعه‌ی داده‌ها استفاده کرد. دیکدر، خروجی مناسبی را انتخاب می‌کند؛ که مربوط به ورودی باینری آن است و اجازه می‌دهد؛ تنها یک مجموعه داده‌، حالت خروجی منطق 0 یا 1 خود را روی گذرگاه قرار دهند. در این زمان، تمام دیگر خروجی‌های سه‌حالته و متصل به یک خطوط گذرگاه داده، با قرارگرفتن در حالت امپدانس بالای Hi-Z خود، غیر فعال می‌شوند.

داده از مجموعه‌ی A””، تنها زمانی‌ می‌تواند به گذرگاه مشترک انتقال یابد؛ که سیگنال فعال بالا (active HIGH) به بافرهای سه‌حالته از طریق خط فعال‌ساز ( فعال‌ساز A)، اعمال شود. در دیگر زمان‌ها، یک شرایط امپدانس بالا را نشان می‌دهد؛ که به‌طور موثری از گذرگاه داده، ایزوله می‌شود.

به همین ترتیب، داده‌ی مجموعه‌ی B””، تنها زمانی‌ از گذرگاه می‌گذرد؛ که سیگنال فعال‌ساز به فعال‌ساز B، اعمال شود. یک مثال خوب از بافرهای سه‌حالته بهم متصل و متصل‌شده به مجموعه‌های داده‌ی کنترل، بافر هشت‌تایی 74LS244 است.

این امکان وجود دارد؛ که بافرهای سه‌حالته را به‌صورت “پشت به پشت” به یکدیگر، متصل نمود و یک مدار بافر دو طرفه را تولید کرد؛ که یک “بافر “active-high به‌صورت موازی اما معکوس به یک “بافر “active-low متصل است.

دراینجا، ورودی کنترلی فعال‌ساز، مانند یک سیگنال دوطرفه عمل می‌کند و سبب می‌شود؛ که داده از یک سیم گذرگاه داده، خوانده شود و به آن نیز انتقال یابد. از این نوع کاربرد بافر سه‌حالته با قابلیت سوئیچینگ دوطرفه مانند 74LS245 می‌توان استفاده نمود.

دیدیم؛ که یک بافر سه‌حالته، یک دستگاه ناوارون‌ساز است؛ که یک خروجی ( که همان ورودی است) را زمانی ارائه می‌دهد؛ که ورودی به فعال‌ساز، یعنی پین (فعال‌ساز) ،HIGH باشد؛ در غیر این‌صورت، خروجی بافر به حالت امپدانس بالا (Hi-Z) می‌رود. خروجی‌های سه‌حالته، در بسیاری از مدارهای مجتمع و سیستم‌های دیجیتال نیز به‌کار می‌روند و کاربرد آنها تنها محدود به بافرهای سه‌حالته نمی‌شود.

هردو بافرهای دیجیتال و بافرهای سه‌حالته، می‌توانند برای فراهم‌کردن تقویت ولتاژ یا جریان، که سبب راندن بارهای بزرگ مانند رله‌ها، لامپ‌ها و ترانزیستورهای توان نسبت به گیت‌های منطقی مرسوم می‌شود؛ استفاده کرد. اما یک بافر می‌تواند برای فراهم‌کردن ایزوله‌سازی الکتریکی بین دو یا چند مدار استفاده شود.

دیدیم؛ که یک گذرگاه داده می‌تواند با چند دستگاه سه‌حالته که به هم اتصال دارند ساخته شود و تا زمانی که یکی در هر زمان انتخاب شود؛ مشکلی نخواهدبود. بافرهای سه‌حالته، به دستگاه‌های دیجیتال دیگر اجازه می‌دهند؛ تا داده ورودی و خروجی را برروی یک گذرگاه داده با استفاده از سیگنال‌های ورودی/خروجی و دیکدکردن آدرس قرار دهند.

بافرهای سه‌حالته، به شکل مجتمع مانند بافر/درایور چهارتایی، شش‌تایی یا هشت‌تایی به هردو شکل یک طرفه و دو طرفه دردسترس هستند و بافرهای متداولی مانند TTL74240، TTL74244 و TTL74245 در زیر نشان داده شده‌است.

IC بافر دیجیتال و بافر سه‌حالته که معمولا دردسترس است؛ شامل:

بافرهای دیجیتال منطقی - TTL

بافرهای دیجیتال منطقی - CMOS

بافر دیجیتال 74LS07

بافر سه حالته هشت تایی 74LS244