디지털 버퍼 튜토리얼

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디지털 버퍼 튜토리얼

디지털 버퍼 및 3상태 버퍼는 출력 부하를 구동하기 위해 디지털 회로에서 전류 증폭을 제공할 수 있습니다.

디지털 버퍼는 이전 튜토리얼에서 NOT 게이트 출력 상태가 입력 신호의 상보, 반대 또는 역임을 보았던 인버터(게이트 아님)의 반대쪽 논리 게이트입니다.

예를 들어 NOT 게이트에 대한 단일 입력이 "HIGH"이면 출력 상태는 "HIGH"가 아닙니다. 입력 신호가 "LOW"이면 출력 상태는 "LOW"가 아닙니다. 즉, 입력 신호를 "반전"하므로 이름이 "인버터"입니다.

그러나 때로는 디지털 전자 회로에서 논리 게이트를 서로 분리하거나 반전 없이 릴레이, 솔레노이드 및 램프와 같은 일반 부하보다 더 높게 구동하거나 전환하도록 해야 합니다. 이를 수행할 수 있는 단일 입력 논리 게이트 유형 중 하나를 디지털 버퍼 라고 합니다 .

단일 입력, 단일 출력 인버터 또는 출력에서 ​​입력 신호를 반전하거나 보완하는 TTL 7404와 같은 NOT 게이트와 달리 "버퍼"는 반전 또는 의사 결정 기능(두 개 이상의 입력이 있는 논리 게이트와 같은)을 수행하지 않지만 대신 입력과 정확히 일치하는 출력을 생성합니다. 즉, 디지털 버퍼는 출력 상태가 입력 상태와 같기 때문에 아무 작업도 수행하지 않습니다.

 

그러면 입력이 이 장치를 통과할 때 그 값이 변경되지 않기 때문에 디지털 버퍼는 부울의 멱등성 법칙을 적용하는 멱등성 게이트로 간주될 수 있습니다. 따라서 디지털 버퍼는 "비반전" 장치이므로 Q = A 라는 부울 표현을 제공합니다   .

그런 다음 단일 입력 디지털 버퍼의 논리적 작동을 다음과 같이 정의할 수 있습니다.

“Q는 참입니다. A가 참일 때만 그렇습니다.”

즉, 버퍼의 출력( Q ) 상태는 입력 A가 참인 경우에만 참(논리 "1")이고, 그렇지 않은 경우 출력은 거짓(논리 "0")입니다.

단일 입력 디지털 버퍼

상징	진리표
디지털 버퍼	ㅏ	큐
	0	0
	1	1
불리언 표현식 Q = A	다음과 같이 읽습니다: A는 Q를 제공합니다.

디지털 버퍼는 아래와 같이 두 개의 NOT 게이트를 함께 연결하여 만들 수도 있습니다 . 첫 번째는 입력 신호 A 를 "반전" 하고 두 번째는 입력의 이중 반전을 수행하여 원래 레벨로 다시 "재반전"합니다.

NOT 게이트를 사용한 이중 반전

디지털 버퍼가 어떤 방식으로든 입력 신호를 반전 또는 변경하지 않거나 AND 또는 OR 게이트 와 같은 논리적 결정이나 작업을 수행하지 않으면 디지털 버퍼의 요점이 무엇인지 생각할 수 있습니다. 대신에 전선을 연결하면 좋은 점입니다. 그러나 비반전 디지털 버퍼는 디지털 증폭을 제공한다는 주요 장점 중 하나와 함께 디지털 전자 장치에서 많은 용도로 사용됩니다.

디지털 버퍼는 한 회로의 임피던스가 다른 회로의 임피던스에 영향을 미치지 않도록 다른 게이트 또는 회로 단계를 서로 격리하는 데 사용할 수 있습니다. 출력 구동 기능이 일반적으로 입력 신호 요구 사항보다 훨씬 높기 때문에 디지털 버퍼를 사용하여 트랜지스터 스위치와 같은 고전류 부하를 구동할 수도 있습니다. 즉, 버퍼는 소위 높은 "팬아웃" 기능을 갖고 있으므로 디지털 신호의 전력 증폭에 사용될 수 있습니다.

디지털 버퍼 팬아웃 예

버퍼(또는 모든 디지털 IC)의 팬 아웃 매개변수는 입력 신호의 더 큰 전력 증폭을 제공하는 논리 게이트의 출력 구동 기능 또는 출력 전류 기능입니다. 하나 이상의 논리 게이트를 다른 논리 게이트의 출력에 연결하거나 LED와 같은 고전류 부하를 전환해야 할 경우 버퍼를 사용하면 이를 수행할 수 있습니다.

일반적으로 논리 게이트의 출력은 일반적으로 다른 게이트의 입력에 연결됩니다. 각 입력에는 상태를 변경하기 위해 게이트 출력에서 ​​일정량의 전류가 필요하므로 각 추가 게이트 연결이 게이트의 부하에 추가됩니다. 따라서 팬아웃은 논리 게이트의 하나의 디지털 버퍼에 의해 동시에 구동될 수 있는 병렬 부하의 수입니다. 전류 소스 역할을 하는 버퍼는 동일한 로직 제품군의 최대 20개 게이트에 대한 높은 팬아웃 등급을 가질 수 있습니다.

 

디지털 버퍼의 팬아웃 등급(전류 소스)이 높은 경우 "팬인' 등급(전류 싱크)도 높아야 합니다. 그러나 게이트의 전파 지연은 팬인(fan-in) 기능에 따라 급격히 악화되므로 팬인(fan-in)이 4보다 큰 게이트는 피해야 합니다.

그런 다음 함께 연결할 수 있는 입력 및 출력 수에 제한이 있으며 게이트를 서로 분리해야 하는 애플리케이션에서는 3상태 버퍼 또는 3상태 출력 드라이버를 사용할 수 있습니다.

"3상태 버퍼"

위에 표시된 표준 디지털 버퍼 외에도 필요할 때 출력 회로에서 출력을 "전자적으로" 연결 해제할 수 있는 또 다른 유형의 디지털 버퍼 회로가 있습니다. 이러한 유형의 버퍼는 3상태 버퍼 또는 더 일반적으로 3상태 버퍼 로 알려져 있습니다 .

삼상 버퍼는 외부 "제어" 또는 "활성화"( EN ) 신호 입력 을 통해 전자적으로 "ON" 또는 "OFF"로 전환될 수 있는 출력을 갖춘 입력 제어 스위치로 생각할 수 있습니다   . 이 제어 신호는 로직 "0" 또는 로직 "1" 유형 신호일 수 있으며, 결과적으로 3상태 버퍼는 출력이 정상적으로 작동하여 필요한 출력을 생성하도록 하는 한 상태에 있거나 출력이 차단되거나 다른 상태에 있게 됩니다. 연결이 끊어졌습니다.

그런 다음 3상태 버퍼에는 두 개의 입력이 필요합니다. 표시된 대로 하나는 데이터 입력이고 다른 하나는 활성화 또는 제어 입력입니다.

3상태 버퍼 스위치와 동등

세 번째 상태로 활성화되면 출력을 비활성화하거나 "OFF"하여 논리 "HIGH" 또는 "LOW"가 아닌 개방 회로 조건을 생성하지만 대신 매우 높은 임피던스, High-Z 또는 또는 매우 높은 임피던스의 출력 상태를 제공합니다. 더 일반적으로 Hi-Z . 그런 다음 이 유형의 장치에는 "0" 또는 "1"이라는 두 개의 논리 상태 입력이 있지만 "0", "1" 또는 "  Hi-Z  "의 세 가지 다른 출력 상태를 생성할 수 있으므로 "Tri"라고 합니다. 또는 "3상태" 장치.

이 세 번째 상태는 논리 레벨 "0" 또는 "1"과 동일하지 않지만 버퍼 출력이 회로의 나머지 부분과 전기적으로 분리된 고임피던스 상태입니다. 결과적으로 전원에서 전류가 흐르지 않습니다.

Tri-state 버퍼 에는 네 가지 유형이 있는데 , 한 세트는 반전 또는 비반전 출력을 생성하는 " Active-HIGH " 제어 신호에 의해 출력이 활성화되거나 비활성화되고, 다른 세트는 버퍼 출력이 " Active-HIGH " 제어 신호에 의해 제어됩니다. LOW ” 제어 신호는 아래와 같이 반전 또는 비반전 출력을 생성합니다.

활성 "HIGH" 3상태 버퍼

상징	진리표
3상태 버퍼	할 수 있게 하다	안에	밖으로
	0	0	하이지
	0	1	하이지
	1	0	0
	1	1	1
출력으로 읽기 = 활성화가 "1"인 경우 입력

74LS241 8진 버퍼와 같은 액티브 하이 3상태 버퍼는 로직 레벨 "1"이 "활성화" 제어 라인에 적용되고 데이터가 입력에서 출력으로 전달될 때 활성화됩니다. 활성화 제어 라인이 로직 레벨 "0"에 있으면 버퍼 출력이 비활성화되고 높은 임피던스 조건인 Hi-Z 가 출력에 나타납니다.

액티브 하이 3상태 버퍼는 그림과 같이 액티브 하이 3상태 반전 버퍼를 생성하는 높은 임피던스 상태뿐만 아니라 반전 출력도 가질 수 있습니다.

활성 "HIGH" 반전 3상태 버퍼

상징	진리표
3상태 버퍼 반전	할 수 있게 하다	안에	밖으로
	0	0	하이지
	0	1	하이지
	1	0	1
	1	1	0
출력으로 읽기 = 활성화가 "1"인 경우 반전된 입력

74LS240 8진 버퍼와 같은 활성-높음 반전 3상태 버퍼의 출력은 논리 레벨 "1"이 해당 "활성화" 제어 라인에 적용될 때 활성화됩니다. 입력의 데이터는 출력으로 전달되지만 반전되어 입력의 보완물을 생성합니다. 활성화 라인이 로직 레벨 "0"에서 LOW이면 버퍼 출력이 비활성화되고 높은 임피던스 조건인 Hi-Z 에서 비활성화됩니다 .

표시된 것처럼 액티브 로우 활성화 입력을 사용하여 동일한 2개의 3상태 버퍼를 구현할 수도 있습니다.

활성 "LOW" 3상태 버퍼

상징	진리표
3상태 버퍼	할 수 있게 하다	안에	밖으로
	0	0	0
	0	1	1
	1	0	하이지
	1	1	하이지
출력으로 읽기 = 활성화가 "1"과 같지 않은 경우 입력

액티브 로우 3상태 버퍼는 위와 반대이며 로직 레벨 "0"이 " 활성화 " 제어 라인에 적용될 때 활성화됩니다. 데이터는 입력에서 출력으로 전달됩니다. 활성화 제어 라인이 로직 레벨 "1"에 있으면 버퍼 출력이 비활성화되고 높은 임피던스 조건인 Hi-Z 가 출력에 나타납니다.

활성 "LOW" 반전 3상태 버퍼

상징	진리표
3상태 버퍼 반전	할 수 있게 하다	안에	밖으로
	0	0	1
	0	1	0
	1	0	하이지
	1	1	하이지
출력으로 읽기 = 활성화가 "1"과 같지 않은 경우 반전된 입력

액티브 로우 반전 3상태 버퍼는 논리 레벨 "0"이 " 활성화 " 제어 라인 에 적용될 때 출력이 활성화되거나 비활성화되므로 위와 반대입니다 . 버퍼가 논리 "0"에 의해 활성화되면 출력은 입력의 보완이 됩니다. 활성화 제어 라인이 로직 레벨 "1"에 있으면 버퍼 출력이 비활성화되고 높은 임피던스 조건인 Hi-Z 가 출력에 나타납니다.

3상태 버퍼 제어

위에서 우리는 버퍼가 디지털 회로 내에서 전압 또는 전류 증폭을 제공할 수 있고 입력 신호를 반전시키는 데 사용될 수도 있다는 것을 살펴보았습니다. 또한 출력을 효과적으로 꺼서 개방 회로와 동등한 높은 임피던스 상태(Hi-Z)를 생성할 수 있는 3상태 형태의 디지털 버퍼를 사용할 수 있다는 것도 확인했습니다.

Tri -state 버퍼는 데이터 손상이나 손실 없이 여러 논리 장치를 동일한 와이어나 버스에 연결할 수 있도록 해주기 때문에 많은 전자 및 마이크로프로세서 회로에 사용됩니다. 예를 들어, 일부 메모리, 주변 장치, I/O 또는 CPU가 연결된 데이터 라인이나 데이터 버스가 있다고 가정합니다. 이러한 각 장치는 경합이라는 것을 생성하는 동시에 이 단일 데이터 버스를 통해 서로 데이터를 보내거나 받을 수 있습니다.

여러 장치를 함께 연결할 때 일부 장치는 출력을 높게, 일부는 낮게 구동하기를 원하기 때문에 경합이 발생합니다. 이러한 장치가 동시에 데이터를 전송하거나 수신하기 시작하면 한 장치가 공급 전압인 로직 "1"을 버스에 출력하고 다른 장치는 로직 레벨 "0" 또는 접지로 설정되어 단락이 발생할 수 있습니다. 단락 상태 및 장치 손상 및 데이터 손실 가능성이 있습니다.

디지털 정보는 이러한 데이터 버스나 데이터 하이웨이를 통해 한 번에 한 비트씩 직렬로 전송되거나 다중 3상태 버퍼를 허용하는 마이크로프로세서 데이터 버스와 같은 병렬 형태로 최대 8개(또는 그 이상)의 와이어로 함께 전송될 수 있습니다. 표시된 대로 데이터 손상이나 손실 없이 동일한 데이터 하이웨이에 연결됩니다.

3상태 디지털 버퍼 데이터 버스 제어

그런 다음 Tri-state 버퍼를 사용하여 장치와 회로를 데이터 버스와 서로 분리할 수 있습니다. 여러 Tri-state 버퍼의 출력이 전기적으로 함께 연결된 경우 디코더는 다른 장치가 고임피던스 상태에 있는 동안 한 번에 한 세트의 Tri-state 버퍼만 활성화되도록 하는 데 사용됩니다. 4선 데이터 버스에 연결된 3상태 버퍼의 예가 아래에 나와 있습니다.

3상태 디지털 버퍼 제어

이 기본 예는 이진 디코더를 사용하여 데이터 세트에서 개별적으로 또는 함께 여러 개의 3상태 버퍼를 제어할 수 있는 방법을 보여줍니다. 디코더는 바이너리 입력에 해당하는 적절한 출력을 선택하여 단 하나의 데이터 세트만 논리 "1" 또는 논리 "0" 출력 상태를 버스로 전달할 수 있도록 합니다. 이때 동일한 버스 라인에 연결된 다른 모든 3상태 출력은 높은 임피던스 Hi-Z 상태에 배치되어 비활성화됩니다.

그러면 데이터 세트 "A"의 데이터는 활성 HIGH 신호가 활성화 라인 EN A를 통해 3상태 버퍼에 적용될 때만 공통 버스로 전송될 수 있습니다 . 다른 모든 경우에는 데이터 버스에서 효과적으로 격리되는 높은 임피던스 조건을 나타냅니다.

마찬가지로 데이터 세트 "B"는 EN B 를 통해 활성화 신호가 적용될 때만 데이터를 버스로 전달합니다 . 데이터 세트를 제어하기 위해 함께 연결된 3상태 버퍼의 좋은 예는 TTL 74244 Octal Buffer입니다.

또한 3상태 버퍼를 "연속" 연결 하여 하나의 "액티브 하이 버퍼"가 병렬로 연결되지만 하나의 "액티브 로우 버퍼"와는 반대로 연결되는 양방향 버퍼 회로를 생성 할 수도 있습니다. .

여기서 "활성화" 제어 입력은 데이터가 동일한 데이터 버스 와이어 "에서" 읽혀지고 "으로" 전송되도록 하는 방향 제어 신호처럼 작동합니다. 이러한 유형의 애플리케이션에서는 TTL 74245와 같은 양방향 스위칭 기능을 갖춘 3상태 버퍼를 사용할 수 있습니다.

우리는 Tri-state 버퍼가 활성화( EN ) 핀 에 대한 입력이 HIGH일 때만 출력(입력과 동일)을 제공하는 비반전 장치라는  것을 확인했습니다.  그렇지 않으면 버퍼의 출력이 해당 핀으로 이동합니다. 높은 임피던스, (  Hi-Z  ) 상태. 3상태 출력은 디지털 3상태 버퍼뿐만 아니라 많은 집적 회로 및 디지털 시스템에서 사용됩니다.

디지털 버퍼와 3상태 버퍼 모두 기존 논리 게이트보다 릴레이, 램프 또는 전력 트랜지스터와 같은 훨씬 높은 부하를 구동하는 전압 또는 전류 증폭을 제공하는 데 사용할 수 있습니다. 그러나 버퍼는 두 개 이상의 회로 사이에 전기적 절연을 제공하는 데에도 사용될 수 있습니다.

우리는 여러 개의 삼상 장치가 함께 연결되면 데이터 버스가 생성될 수 있으며 한 번에 하나만 선택하면 문제가 없다는 것을 확인했습니다. 3상태 버스를 사용하면 여러 디지털 장치가 I/O 신호 및 주소 디코딩을 사용하여 동일한 데이터 버스에서 데이터를 입력하고 출력할 수 있습니다.

3상태 버퍼는 단방향 및 양방향 형태 모두에서 쿼드, 16진수 또는 8진수 버퍼/드라이버로 통합된 형태로 사용할 수 있으며, 그림과 같이 TTL 74240, TTL 74244 및 TTL 74245가 더 일반적입니다.

일반적으로 사용 가능한 디지털 버퍼 및 Tri-state 버퍼 IC에는 다음이 포함됩니다.

TTL 로직 디지털 버퍼

• 74LS07 16진수 비반전 버퍼
• 74LS17 16진수 버퍼/드라이버
• 74LS244 8진 버퍼/라인 드라이버
• 74LS245 8진 양방향 버퍼

CMOS 로직 디지털 버퍼

• CD4050 16진수 비반전 버퍼
• CD4503 16진수 3상태 버퍼
• HEF40244 3상태 8진 버퍼

74LS07 디지털 버퍼

74LS244 8진 삼상태 버퍼