¿Cuál es la finalidad de una puerta amortiguadora?

Question

Según tengo entendido, una puerta buffer es lo contrario de una puerta NOT y no cambia la entrada:

Sin embargo, a veces veo circuitos integrados de compuertas amortiguadoras que, para un ojo inexperto, parecen no hacer nada en absoluto. Por ejemplo, recientemente he visto una compuerta amortiguadora no inversora utilizada en la salida de un seguidor de emisor, más o menos algo así:

Entonces, ¿cuándo es necesario utilizar un circuito integrado de amortiguación en su circuito? ¿Cuál podría ser el propósito de la puerta en el esquema mencionado?

Answer 1

Los buffers se utilizan siempre que se necesita... bueno... un buffer. En el sentido literal de la palabra. Se utilizan cuando se necesita amortiguar la entrada de la salida. Hay innumerables formas de utilizar un búfer. Hay búferes de puertas lógicas digitales, que son pasadores lógicos, y hay búferes analógicos, que actúan como pasadores pero para un voltaje analógico. Esto último está fuera del alcance de tu pregunta, pero si tienes curiosidad, busca "seguidor de tensión".

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

He aquí algunas razones:

1. Aislamiento lógico. La mayoría de los buffers tienen un pin ~OE o similar, un pin de habilitación de salida. Esto te permite convertir cualquier línea lógica en una de tres estados. Esto es especialmente útil si quieres ser capaz de conectar o aislar dos buses (con búferes en ambos sentidos si es necesario), o tal vez sólo un dispositivo. Un buffer, al ser un amortiguador entre esas cosas, te permite hacer eso.

2. Traducción de nivel. Muchos búferes permiten alimentar el lado de salida con una tensión diferente a la de entrada. Esto tiene usos obvios para traducir los niveles de voltaje.

3. Digitalización/repetición/limpieza. Algunos búferes tienen histéresis, por lo que pueden tomar una señal que se esfuerza por ser digital, pero que no tiene tiempos de subida muy buenos o no está jugando bien con los umbrales o lo que sea, y limpiarla y convertirla en una señal digital agradable, nítida y de bordes limpios.

4. Aislamiento físico Tienes que enviar una señal digital más lejos de lo que te gusta, las cosas son ruidosas, y un buffer hace un gran repetidor. En lugar de que un pin GPIO en el extremo receptor tenga un pie de rastro de pcb conectado a él, actuando como una antena, inductor y condensador y literalmente vomitando cualquier ruido y horror que quiera directamente en la boca abierta de ese pobre pin, se utiliza un buffer. Ahora el pin GPIO sólo ve la traza entre él y el buffer, y los bucles de corriente están aislados. Incluso puedes terminar la señal adecuadamente, como con una resistencia de 50 (o lo que sea), porque tienes un buffer en el extremo de transmisión y puedes cargarlo de formas que nunca podrías cargar en un pequeño pin de µC.

5. Cargas de conducción. Su fuente de entrada digital es de alta impedancia, demasiado alta para interactuar con el dispositivo que desea controlar. Un ejemplo común podría ser un LED. Así que utilizas un buffer. Seleccionas uno que pueda manejar, digamos, un fuerte 20mA fácilmente, y manejas el LED con el buffer, en lugar de la señal lógica directamente.

Ejemplo: Quieres LEDs de indicación de estado en algo como un bus I2C, pero añadir LEDs directamente a las líneas I2C causaría problemas de señalización. Así que se utiliza un buffer.

6. Sacrificio . Los búferes suelen tener varias características de protección, como la protección ESD, etc. Y a menudo no. Pero en cualquier caso, actúan como un amortiguador entre algo y otra cosa. Si tienes algo que puede experimentar algún tipo de condición transitoria que podría dañar algo, pones un buffer entre esa cosa y la fuente transitoria.

Dicho de otro modo, a los chips les gusta explotar casi tanto como a los semiconductores. Y la mayoría de las veces, cuando algo va mal, los chips explotan. Sin búferes, a menudo el transitorio que hace estallar los chips a diestro y siniestro llegará a lo más profundo de tu circuito y destruirá un montón de chips a la vez. Los búferes pueden evitarlo. Soy un gran fan del búfer de sacrificio. Si algo va a explotar, prefiero que sea un búfer de 50 céntimos y no una FPGA de 1.000 dólares.

Estas son algunas de las razones más comunes que se me ocurren. Estoy seguro de que hay otras situaciones, tal vez obtengas más respuestas con más usos. Creo que todo el mundo estará de acuerdo en que los topes son terriblemente útiles, aunque a primera vista parezcan bastante inútiles.

Answer 2

Las puertas amortiguadoras simples tienen algunas aplicaciones:

• En los viejos tiempos, había un número limitado de fan-out de una salida lógica, cuando se alimenta a múltiples entradas posteriores. Si no recuerdo mal, era alrededor de 5 para TTL LS. Así que si utilizabas una salida para alimentar más de 5 entradas, los niveles lógicos ya no estaban garantizados. Para resolver este problema se podían utilizar búferes. Cada búfer podía alimentar otras 5 entradas (con un pequeño retardo). Ahora, con CMOS, ya no es realmente relevante, el fanout es órdenes de magnitud mayor, y nunca es un problema.
• Puede utilizarse para "amplificar" una señal débil. Si la señal tiene una impedancia muy alta, y quieres usarla como entrada de un circuito que tiene baja impedancia de entrada, los niveles lógicos no estarían dentro de las especificaciones. Tal vez este es el uso en su ejemplo específico.
• Puede utilizarse como una pequeña línea de retardo.
• Normalmente, el buffer tiene una entrada de disparo schmitt (pero entonces solemos dibujar un pequeño signo de "histéresis": en el triángulo del buffer, y parece que no es tu caso). Así que si el nivel lógico está entre alto y bajo, la salida sigue siendo predeciblemente definida (se mantiene al nivel que es). Esto tiene muchos usos cuando se interconectan señales analógicas (por ejemplo, procedentes de sensores) con entradas digitales.

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

Answer 3

Los búferes se utilizan cuando son necesarios para cumplir requisitos no funcionales, a menudo la velocidad (o la impedancia de entrada/salida, que afecta a la velocidad). Un circuito abstracto no suele mostrar suficientes detalles para apreciar esta necesidad. En tu circuito, R1 podría ser demasiado alto para conducir lo que está conectado a la salida a bajo de una manera rápida y fiable.

Otra razón podría ser que el buffer contenga protección de salida (limitación de corriente, protección ESD).