بافر منطقی و اصول کاری آن - بخش اول

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز، 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 می‌کند و به همین دلیل به آن گیت اینورتر نیز می‌گویند.

اما در مدارات الکترونیکی دیجیتال، گاهی نیاز داریم که گیت‌های منطقی را فقط از یکدیگر ایزوله (Isolate) کنیم و یا آن‌ها را به بار‌های بزرگی مانند رله‌ها، سلونوئید‌ها و یا لامپ‌ها درایو و یا کلیدزنی کنیم و از اینورتر استفاده نکنیم. نوعی از گیت‌های منطقی ورودی سیگنال که امکان انجام چنین کاری را در اختیار کاربر قرار می‌دهند، گیت‌های بافر دیجیتال نام دارند.

بر خلاف گیت‌های تک ورودی-تک خروجی NOT مانند آی‌سی TTL ۷۴۰۴، که در آن‌ها سیگنال خروجی گیت، مکمل سیگنال ورودی است، گیت بافر دیجیتالی عمل معکوس‌سازی انجام نمی‌دهد. در حالت کلی این گیت فاقد توانایی تصمیم‌گیری (مانند آن‌چه در گیت‌های منطقی با تعداد دو ورودی یا بیشتر انجام می‌گیرد.) است. اما در عوض بافر دیجیتالی خروجی دیجیتالی را تولید می‌کند که دقیقا بر سیگنال دریافتی در ورودی خود منطبق است. به عبارت دیگر می‌توان گفت که بافر دیجیتال هیچ تغییری در ورودی خود ایجاد نمی‌کند 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 می‌گیرد. زمانی که یک ورودی به این گیت دیجیتالی وارد شود، هیچ تغییری بر روی این ورودی ایجاد نمی‌شود؛ بنابراین بافر دیجیتالی، یک گیت غیر معکوس‌کننده (Non-Inverting) در نظر گرفته می‌شود و عبارت بولی مربوط به این گیت به صورت Q=Aاست. حال می‌توان 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.

نماد مداری بافر دیجیتالی تک ورودی

جدول درستی این گیت منطقی به صورت زیر است.

 

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

ساخت بافر دیجیتالی با اتصال دو گیت NOT

حال ممکن است این سوال پیش بیاید که اگر خروجی دقیقا با سیگنال ورودی برابر است، آن‌گاه مزیت استفاده از یک بافر منطقی دیجیتال در چیست؟ چرا از یک گیت، که هیچ عملیات منطقی را مانند گیت‌های AND یا OR انجام نمی‌دهد، استفاده می‌کنیم و چرا به جای آن فقط یک قطعه سیم برای اتصال دو نقطه مدار قرار نمی‌دهیم؟ بافر‌های دیجیتال در مدارات الکترونیکی دیجیتال کاربرد‌های فراوانی دارند که از آن جمله می‌توان به ایجاد تقویت‌کنندگی دیجیتال اشاره کرد. بافر‌های دیجیتال منجر به ایجاد ایزولاسیون بین سایر گیت‌ها و طبقات مختلف مدار از یکدیگر می‌شوند، به این معنی که از اثرگذاری امپدانس ورودی یک مدار در امپدانس مدار دیگر جلوگیری می‌کنند. همچنین یک بافر دیجیتال می‌تواند برای درایو بار‌های با جریان بالا مانند کلید‌های ترانزیستوری مورد استفاده قرار گیرد؛ زیرا توانایی درایو خروجی آن‌ها عموما بسیار بالاتر از ملزومات سیگنال ورودی است. به عبارت دیگر، بافر‌ها می‌توانند برای اهداف تقویت‌کنندگی توان یک سیگنال دیجیتال مورد استفاده قرار گیرند و به همین دلیل است که گفته می‌شود این گیت‌ها 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 آی‌سی منطقی است که منجر به ایجاد تقویت توان بزرگ‌تر برای سیگنال ورودی می‌شود. 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 می‌آورند. 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 می‌شود. هر ورودی به مقدار معینی جریان از خروجی گیت قبلی، برای تغییر حالت نیاز دارد؛ بنابراین اتصال هر گیت اضافه، به بار خروجی گیت می‌افزاید. با این تواصیف، ظرفیت خروجی یک بافر منطقی برابر با تعداد بار‌های موازی است که می‌توانند به صورت همزمان توسط یک گیت منطقی بافر دیجیتالی درایو شوند. یک بافر دیجیتال می‌تواند مانند یک منبع جریان عمل کند و نرخ ظرفیت خروجی بالایی داشته باشد و حتی می‌تواند تا ۲۰ 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 می‌یابد؛ بنابراین در عمل نباید از بافر‌های دیجیتال با ظرفیت ورودی بیشتر از ۴ استفاده کرد؛ بنابراین برای شمار ورودی‌ها و خروجی‌های یک بافر منطقی که می‌توانند به یکدیگر متصل شوند، محدودیت خاصی وجود دارد و در کاربرد‌هایی که لازم است گیت‌ها را از یکدیگر دکوپله (Decouple) کنیم، می‌توانیم از گیت‌های سه حالته بافر منطقی یا درایور خروجی سه حالته استفاده کنیم.