تعریف بافر منطقی دیجیتال

تعریف بافر منطقی دیجیتال:
بافر منطقی دیجیتال (Digital Buffer) و بافرهای سه حالته (Tri-state Buffer) در یک مدار دیجیتالی منجر به ایجاد تقویت جریان جهت درایو (Drive) بار متصل به خروجی می شوند.

در مطالب قبلی مجله فرادرس، به بررسی گیت های منطقی NOT یا گیت اینورتر پرداختیم. حالت خروجی در یک گیت NOT، معکوس (Inverse) یا مکمل (Complement) حالت سیگنال ورودی است.

بنابراین، اگر سیگنال ورودی به گیت NOT در حالت HIGH قرار داشته باشد، سیگنال خروجی از این گیت در حالت LOW قرار دارد. به عبارت دیگر، گیت NOT حالت سیگنال خروجی را عکس می کند و به همین دلیل به آن گیت اینورتر نیز می گویند.

اما در مدارات الکترونیکی دیجیتال، گاهی نیاز داریم که گیت های منطقی را فقط از یکدیگر ایزوله (Isolate) کنیم و یا آن ها را به بارهای بزرگی مانند رله ها، سلونوئیدها و یا لامپ ها درایو و یا کلیدزنی کنیم و از اینورتر استفاده نکنیم.

نوعی از گیت های منطقی ورودی سیگنال که امکان انجام چنین کاری را در اختیار کاربر قرار می دهند، گیت های بافر دیجیتال نام دارند.

بر خلاف گیت های تک ورودی-تک خروجی NOT مانند آی سی TTL 7404، که در آن ها سیگنال خروجی گیت، مکمل سیگنال ورودی است، گیت بافر دیجیتالی عمل معکوس سازی انجام نمی دهد. در حالت کلی این گیت فاقد توانایی تصمیم گیری (مانند آن چه در گیت های منطقی با تعداد دو ورودی یا بیشتر انجام می گیرد.) است.

اما در عوض بافر دیجیتالی خروجی دیجیتالی را تولید می کند که دقیقا بر سیگنال دریافتی در ورودی خود منطبق است. به عبارت دیگر می توان گفت که بافر دیجیتال هیچ تغییری در ورودی خود ایجاد نمی کند و سیگنال خروجی دقیقا با سیگنال ورودی برابر است.

گیت بافر دیجیتال، یک گیت خود-توان (Idempotent) است و قوانین خود-توانی بولی بر روی ورودی انجام می گیرد.

زمانی که یک ورودی به این گیت دیجیتالی وارد شود، هیچ تغییری بر روی این ورودی ایجاد نمی شود. بنابراین بافر دیجیتالی، یک گیت غیر معکوس کننده (Non-Inverting) در نظر گرفته می شود و عبارت بولی مربوط به این گیت به صورتQ=A است. حال می توان عملیات منطقی یک بافر دیجیتالی تک ورودی را به صورت زیر تعریف کرد:

خروجی Q تنها زمانی درست است که ورودی A درست باشد.

خروجی یک بافر منطقی دیجیتال تنها زمانی در سطح یک منطقی قرار دارد که ورودی آن نیز در حالت یک منطقی باشد، در غیر این صورت ورودی دارای منطق صفر است. نماد مداری یک بافر منطقی تک ورودی در شکل زیر نشان داده شده است.

جدول درستی این گیت منطقی به صورت زیر است.

یک بافر منطقی را می توان از اتصال دو گیت NOT به صورت شکل زیر ایجاد کرد. گیت اول، سیگنال A را معکوس می کند و گیت دوم با معکوس کردن مجدد سیگنال خروجی از گیت قبل، آن را به حالت اولیه خود باز می گرداند. در واقع این عمل از طریق دو بار معکوس کردن سیگنال ورودی انجام می گیرد.

ساخت بافر دیجیتالی با اتصال دو گیت NOT

حال ممکن است این سوال پیش بیاید که اگر خروجی دقیقا با سیگنال ورودی برابر است، آن گاه مزیت استفاده از یک بافر منطقی دیجیتال در چیست؟

چرا از یک گیت، که هیچ عملیات منطقی را مانند گیت های AND یا OR انجام نمی دهد، استفاده می کنیم و چرا به جای آن فقط یک قطعه سیم برای اتصال دو نقطه مدار قرار نمی دهیم؟ بافرهای دیجیتال در مدارات الکترونیکی دیجیتال کاربردهای فراوانی دارند که از آن جمله می توان به ایجاد تقویت کنندگی دیجیتال اشاره کرد.

بافرهای دیجیتال منجر به ایجاد ایزولاسیون بین سایر گیت ها و طبقات مختلف مدار از یکدیگر می شوند، به این معنی که از اثرگذاری امپدانس ورودی یک مدار در امپدانس مدار دیگر جلوگیری می کنند.

همچنین یک بافر دیجیتال می تواند برای درایو بارهای با جریان بالا مانند کلیدهای ترانزیستوری مورد استفاده قرار گیرد؛ زیرا توانایی درایو خروجی آن ها عموما بسیار بالاتر از ملزومات سیگنال ورودی است.

به عبارت دیگر، بافرها می توانند برای اهداف تقویت کنندگی توان یک سیگنال دیجیتال مورد استفاده قرار گیرند و به همین دلیل است که گفته می شود این گیت ها دارای ظرفیت خروجی (Fan-Out) بالایی هستند.

پارامتر ظرفیت خروجی یک بافر و یا در حالت کلی هر گیت منطقی، برابر با توانایی درایو خروجی و یا قابلیت جریان خروجی یک آی سی منطقی است که منجر به ایجاد تقویت توان بزرگ تر برای سیگنال ورودی می شود.

گاهی ممکن است لازم باشد که بیشتر از یک گیت منطقی به خروجی یک گیت دیگر متصل شود و یا احتیاج به کلیدزنی (Switch) یک بار جریان بالا مانند LED باشد، در این مواقع بافرهای دیجیتالی به سادگی امکان انجام چنین عملیاتی را فراهم می آورند.

مثالی از ظرفیت خروجی یک بافر دیجیتال در شکل زیر نشان داده شده است.

ظرفیت خروجی بافر دیجیتال

در حالت کلی، خروجی یک گیت بافر منطقی به ورودی گیت منطقی دیگری متصل می شود. هر ورودی به مقدار معینی جریان از خروجی گیت قبلی، برای تغییر حالت نیاز دارد. بنابراین اتصال هر گیت اضافه، به بار خروجی گیت می افزاید.

با این تواصیف، ظرفیت خروجی یک بافر منطقی برابر با تعداد بارهای موازی است که می توانند به صورت همزمان توسط یک گیت منطقی بافر دیجیتالی درایو شوند. یک بافر دیجیتال می تواند مانند یک منبع جریان عمل کند و نرخ ظرفیت خروجی بالایی داشته باشد و حتی می تواند تا 20 گیت منطقی از یک خانواده را در خروجی خود درایو کند.

اگر یک بافر منطقی نرخ ظرفیت خروجی بالایی داشته باشد (منبع جریان)، لازم است دارای نرخ ظرفیت ورودی (Fan-In) بالایی (چاه جریان) نیز باشد.

اما در این صورت تاخیر انتشاری (Propagation Delay) گیت هم به دلیل این که تابعی از ظرفیت ورودی است، به شدت افزایش می یابد. بنابراین در عمل نباید از بافرهای دیجیتال با ظرفیت ورودی بیشتر از 4 استفاده کرد.

بنابراین برای شمار ورودی ها و خروجی های یک بافر منطقی که می توانند به یکدیگر متصل شوند، محدودیت خاصی وجود دارد و در کاربردهایی که لازم است گیت ها را از یکدیگر دکوپله (Decouple) کنیم، می توانیم از گیت های سه حالته بافر منطقی یا درایور خروجی سه حالته استفاده کنیم.