Gerbang Buffer (Penyangga Digital)
Gerbang Buffer Digital dan Buffer Tri-state dapat memberikan penguatan arus dalam rangkaian digital untuk mendorong beban output.
Dalam tutorial sebelumnya kita melihat digital Gerbang Logika NOT yang biasa disebut inverter, dan kami melihat bahwa status output Gerbang Logika NOT adalah komplemen, berlawanan atau kebalikan dari sinyal inputnya.
Jadi misalnya, ketika input tunggal untuk gerbang logika NOT adalah "TINGGI", status outputnya TIDAK akan "TINGGI". Ketika sinyal inputnya adalah "RENDAH" status outputnya TIDAK akan menjadi "RENDAH", dengan kata lain itu "membalikkan" sinyal inputnya, maka dinamai "Inverter".
Tetapi kadang-kadang di rangkaian elektronik digital kita perlu mengisolasi gerbang logika satu sama lain atau membuat mereka bejalan atau beralih lebih tinggi dari beban normal, seperti relai, solenoida dan lampu tanpa perlu inversi. Salah satu jenis gerbang logika input tunggal yang memungkinkan kita melakukan hal itu disebut Gerbang Buffer (penyangga) Digital.
Tidak seperti input tunggal, inverter output tunggal atau gerbang logika NOT seperti TTL 7404 yang membalikkan atau melengkapi sinyal inputnya pada output, "Buffer" tidak melakukan kemampuan inversi atau pengambilan keputusan (seperti gerbang logika dengan dua atau lebih input) tetapi sebagai gantinya menghasilkan output yang sama persis dengan inputnya. Dengan kata lain, buffer digital tidak melakukan apa-apa karena status outputnya sama dengan status inputnya.
Kemudian buffer digital dapat dianggap sebagai gerbang Idempoten yang menerapkan Hukum Idempoten Boole karena ketika input melewati perangkat ini nilainya tidak berubah. Jadi buffer digital adalah “non-pembalik” perangkat dan karena itu akan memberi kita ekspresi Boolean dari: Q = A.
Kemudian kita dapat mendefinisikan operasi logika dari buffer digital input tunggal sebagai:
“Q benar, hanya ketika A benar”
Dengan kata lain, status output ( Q ) dari buffer hanya benar (logika "1") ketika input A benar, jika tidak outputnya salah (logika "0").
Input Digital Buffer Tunggal
Digital Buffer juga bisa dibuat dengan menghubungkan bersama-sama dua gerbang NOT seperti yang ditunjukkan di bawah ini. Yang pertama akan "membalikkan" sinyal input A dan yang kedua akan "membalikkan" kembali ke tingkat semula melakukan inversi ganda dari input.
Inversi Ganda menggunakan Gerbang Logika NOT
Anda mungkin berpikir, apa gunanya Digital Buffer jika tidak membalik atau mengubah sinyal inputnya dengan cara apa pun, atau membuat keputusan atau operasi logika seperti yang dilakukan gerbang logika AND atau gerbang logika OR, lalu mengapa tidak menggunakan sepotong kawat sebagai gantinya, dan itu bagus.
Tetapi Buffer Digital non-pembalik (non-inverting) memang memiliki banyak kegunaan dalam elektronik digital dengan salah satu keuntungan utamanya adalah memberikan Penyangga atau Buffer Digital.
Buffer Digital dapat digunakan untuk mengisolasi gerbang atau tahap rangkaian lainnya dari satu sama lain untuk mencegah impedansi dari satu rangkaian dari mempengaruhi impedansi yang lain.
Penyangga digital ini juga bisa dipakai untuk menggerakkan muatan arus yang tinggi seperti sakelar transistor karena kapabilitas drive output mereka yang umumnya jauh lebih tinggi dibandingkan kebutuhan sinyal input mereka. Dengan kata lain buffer dapat digunakan untuk penguatan daya dari sinyal digital karena mereka memiliki apa yang disebut kemampuan "fan-out" yang tinggi.
Contoh Fan-out Buffer Digital
Parameter Fan-out buffer (atau IC digital) adalah output kemampuan driving atau kemampuan arus output dari gerbang logika memberikan penguatan daya yang lebih besar dari sinyal input. Mungkin perlu untuk menghubungkan lebih dari satu gerbang logika ke output yang lain atau untuk mengalihkan beban arus tinggi seperti LED, maka Buffer akan memungkinkan kita untuk melakukan hal itu.
Secara umum output dari gerbang logika biasanya terhubung ke input dari gerbang lain. Setiap input membutuhkan sejumlah arus tertentu dari gerbang output untuk mengubah keadaan, sehingga setiap sambungan gerbang tambahan menambah beban gerbang.
Jadi fan-out adalah jumlah beban paralel yang dapat didorong secara bersamaan oleh satu buffer digital dari gerbang logika. Bertindak sebagai sumber arus, buffer dapat memiliki peringkat kipas tinggi hingga 20 gerbang dari keluarga logika yang sama.
Jika buffer digital memiliki peringkat fan-out tinggi (sumber arus) juga harus memiliki peringkat "fan-in" tinggi (arus sink) juga. Namun, keterlambatan propagasi gerbang memburuk dengan cepat karena fungsi fan-in sehingga gerbang dengan fan-in lebih besar dari 4 harus dihindari.
Kemudian ada batasan jumlah input dan output yang dapat dihubungkan bersama dan dalam aplikasi di mana kita perlu memisahkan gerbang satu sama lain, kita dapat menggunakan Buffer Tri-state atau tristate output driver.
Buffer Tri-state
Seperti halnya Buffer Digital standar yang terlihat di atas, ada tipe lain dari rangkaian buffer digital yang outputnya dapat "secara elektronik" terputus dari rangkaian outputnya bila diperlukan. Jenis Penyangga ini dikenal sebagai Penyangga 3-keadaan atau lebih umum Buffer Tri-state.
Sebuah Buffer Tri-state dapat dianggap sebagai sakelar input dikontrol dengan output yang dapat secara elektronik beralih “ON” atau “OFF” melalui sebuah “Control” eksternal atau “Enable” ( EN ) sinyal input.
Sinyal kontrol ini dapat berupa sinyal logika “0” atau sinyal logika “1” yang mengakibatkan Buffer Tri-state berada dalam satu keadaan yang memungkinkan outputnya beroperasi secara normal menghasilkan output yang diperlukan atau di keadaan lain jika outputnya diblokir atau terputus.
Kemudian buffer tri-state membutuhkan dua input. Satu menjadi input data dan yang lainnya mengaktifkan atau mengontrol input seperti yang ditunjukkan.
Sakelar Buffer Tri-state Setara
Ketika diaktifkan ke kondisi ketiga, ia menonaktifkan atau mematikan "OFF" outputnya menghasilkan kondisi rangkaian terbuka yang tidak pada logika "HIGH" atau "LOW", tetapi sebaliknya memberikan keadaan output dengan impedansi yang sangat tinggi, High-Z, atau lebih umum Hi-Z.
Kemudian jenis perangkat ini memiliki dua input keadaan logika, "0" atau "1" tetapi dapat menghasilkan tiga status output yang berbeda, "0", "1" atau " Hi-Z " yang mengapa disebut "Tri" atau perangkat "3-keadaan".
Perhatikan bahwa keadaan ketiga ini TIDAK sama dengan tingkat logika "0" atau "1", tetapi merupakan keadaan impedansi tinggi di mana output buffer terputus secara listrik dari sisa rangkaian. Akibatnya, tidak ada arus yang diambil dari supply.
Ada empat jenis Buffer Tri-state yang berbeda, satu set yang outputnya diaktifkan atau dinonaktifkan oleh sinyal kontrol " Active-HIGH " yang menghasilkan output yang terbalik atau tidak terbalik, dan perangkat lain yang output buffernya dikendalikan oleh sinyal kontrol " Active-LOW”menghasilkan output terbalik atau tidak terbalik seperti yang ditunjukkan di bawah ini.
Buffer Tri-state Aktif "TINGGI"
Sebuah Active-high Tri-state Buffer seperti 74LS241 buffer octal, diaktifkan bila tingkat logika “1” diterapkan ke “mengaktifkan/enable” garis kontrol dan data melewati dari input ke output. Ketika garis kontrol enable pada level logika "0", output buffer disable dan kondisi impedansi tinggi, Hi-Z hadir pada output.
Buffer tri-state aktif-tinggi juga dapat memiliki output pembalik serta keadaan impedansinya yang tinggi yang menciptakan buffer aktif-tinggi tri-state pembalikan seperti yang ditunjukkan.
Buffer Tri-state Inverting "TINGGI" yang Aktif
Output dari buffer tri-state pembalik aktif-tinggi, seperti buffer oktal 74LS240, diaktifkan ketika level logika “1” diterapkan ke jalur kontrol “enable”-nya. Data pada input dilewatkan ke output tetapi terbalik menghasilkan komplemen dari input. Ketika garis enable LOW pada level logika "0", output buffer dinonaktifkan dan pada kondisi impedansi tinggi, Hi-Z.
Dua buffer tri-state yang sama juga dapat diimplementasikan dengan input aktif-rendah aktif seperti yang ditunjukkan.
Buffer Tri-state "LOW" Aktif
Sebuah Buffer Tri-state aktif-rendahadalah berlawanan dengan di atas, dan diaktifkan bila tingkat logika “0” diterapkan ke “enable” garis kontrol. Data melewati dari inputnya ke outputnya. Ketika jalur kontrol aktif berada pada level logika "1", output buffer dinonaktifkan dan kondisi impedansi tinggi, Hi-Z hadir pada output.
Buffer “LOW” Inverting Tri-state yang Aktif
Sebuah Buffer Tri-state aktif-rendahpembalik adalah berlawanan dengan di atas sebagai output diaktifkan atau dinonaktifkan ketika tingkat logika “0” diterapkan ke “enable” garis kontrol. Ketika buffer diaktifkan oleh logika "0", output adalah komplemen dari inputnya. Ketika jalur kontrol aktif berada pada level logika "1", output buffer dinonaktifkan dan kondisi impedansi tinggi, Hi-Z hadir pada output.
Kontrol Buffer Tri-state
Kita telah melihat di atas bahwa buffer dapat memberikan tegangan atau amplifikasi arus dalam rangkaian digital dan juga dapat digunakan untuk membalikkan sinyal input. Kita juga telah melihat bahwa buffer digital tersedia dalam bentuk tri-state yang memungkinkan output dimatikan secara efektif menghasilkan keadaan impedansi tinggi (Hi-Z) yang setara dengan rangkaian terbuka.
Buffer Tri-state digunakan dalam banyak rangkaian elektronik dan mikroprosesor karena mereka memungkinkan beberapa perangkat logika untuk dihubungkan ke kawat yang sama atau bus tanpa kerusakan atau kehilangan data.
Contohnya, misalkan kita memiliki jalur data atau bus data dengan beberapa memori, periferal, I/O atau CPU yang terhubung dengannya. Masing-masing perangkat ini mampu mengirim atau menerima data satu sama lain ke bus data tunggal ini sekaligus menciptakan apa yang disebut contention.
Contention atau Pertarungan terjadi ketika beberapa perangkat terhubung bersama karena beberapa ingin menggerakkan outputnya tinggi dan beberapa rendah.
Jika perangkat ini mulai mengirim atau menerima data pada saat yang sama, korsleting dapat terjadi ketika satu perangkat mengeluarkan ke logika “1”, tegangan supply, sementara yang lain diatur pada level logika “0” atau ground, yang mengakibatkan kondisi korsleting dan kemungkinan kerusakan pada perangkat serta hilangnya data.
Informasi digital dikirim melalui bus data ini atau jalan raya data baik secara serial, sedikit demi sedikit, atau mungkin hingga delapan (atau lebih) kabel bersama dalam bentuk paralel seperti dalam bus data mikroprosesor yang memungkinkan beberapa buffer tri-state untuk terhubung ke jalan raya data yang sama tanpa kerusakan atau kehilangan data seperti yang ditunjukkan.
Kontrol Bus Data Buffer Tri-state
Kemudian, Tri-state Buffer dapat digunakan untuk mengisolasi perangkat dan rangkaian dari bus data dan satu sama lain. Jika output dari beberapa Buffer Tri-state terhubung secara elektrik bersama, Decoder digunakan untuk memungkinkan hanya satu set Buffer Tri-state untuk aktif pada satu waktu sementara perangkat lain berada dalam keadaan impedansi tinggi. Contoh buffer Tri-state yang terhubung ke bus data 4-kawat ditunjukkan di bawah ini.
Kontrol Penyangga Tri-state
Contoh dasar ini menunjukkan bagaimana decoder biner dapat digunakan untuk mengontrol sejumlah buffer tri-state baik secara individu atau bersama-sama dalam kumpulan data.
Decoder memilih output yang sesuai yang sesuai dengan input binernya yang memungkinkan hanya satu set data untuk melewati logika “1” atau status output logika “0” ke bus. Pada saat ini, semua output tri-state lainnya yang terhubung ke jalur bus yang sama dinonaktifkan dengan ditempatkan pada status Hi-Z impedansi tinggi.
Kemudian data dari data set “A” hanya dapat ditransfer ke bus umum ketika sinyal TINGGI aktif diterapkan pada buffer tri-state melalui Enable line, ENA. Pada saat lain, ini merupakan kondisi impedansi tinggi yang secara efektif diisolasi dari bus data.
Demikian juga, kumpulan data “B” hanya melewati data ke bus ketika mengaktifkan sinyal diterapkan melalui ENB. Sebuah contoh yang baik dari buffer tri-state yang terhubung bersama untuk mengontrol set data adalah TTL 74244 Octal Buffer.
Dimungkinkan juga untuk menghubungkan buffer Tri-state "back-to-back" untuk menghasilkan apa yang disebut rangkaian Penyangga Dua Arah(bi-directional buffer) dengan satu "buffer aktif-tinggi" yang terhubung secara paralel tetapi terbalik dengan satu "buffer aktif-rendah".
Di sini, input kontrol "aktifkan/enable" bertindak lebih seperti sinyal kontrol arah yang menyebabkan data dibaca "dari" dan dikirim "ke" kabel bus data yang sama. Dalam jenis aplikasi ini tri-state buffer dengan kemampuan switching dua arah seperti TTL 74245 dapat digunakan.
Kita telah melihat bahwa buffer Tri-stateadalah perangkat non-pembalik yang memberikan output (yang sama dengan inputnya) hanya ketika input ke pin Enable, ( EN ) adalah TINGGI jika tidak, output buffer menuju ke Impedansi tinggi, ( Hi-Z ). Output tri-state digunakan di banyak rangkaian terintegrasi dan sistem digital dan tidak hanya di buffer tristate digital.
Buffer digital dan buffer tri-state dapat digunakan untuk menyediakan tegangan atau amplifikasi arus yang mendorong banyak beban tinggi seperti relai, lampu, atau transistor daya dibandingkan dengan gerbang logika konvensional. Tetapi buffer juga dapat digunakan untuk menyediakan isolasi listrik antara dua atau lebih rangkaian.
Kami telah melihat bahwa bus data dapat dibuat jika beberapa perangkat tri state terhubung bersama dan selama hanya satu yang dipilih pada satu waktu, tidak ada masalah. Bus tri-state memungkinkan beberapa perangkat digital memasukkan dan mengeluarkan data pada bus data yang sama dengan menggunakan sinyal I/O dan address decoding.
Tri-state Buffer tersedia dalam bentuk terintegrasi sebagai quad/hex atau buffer/driver octal dalam bentuk uni-directional dan bi-directional, dengan yang lebih umum adalah TTL 74240, TTL 74244 dan TTL 74245 seperti yang ditunjukkan.
IC Buffer Digital dan Tri-state Buffer IC yang umum tersedia meliputi:
TTL Buffer Logika Digital
74LS07 Hex Buffer Non-inverting
74LS17 Hex Buffer/Driver
74LS244 Octal Buffer/Drive Line
74LS245 Octal Bi-directional Buffer
CMOS Buffer Logika Digital
CD4050 Hex Buffer Non-inverting
CD4503 Hex Tri-state Buffer
HEF40244 Tri-state Octal Buffer
74LS07 Buffer Digital
74LS244 Octal Buffer Tri-state
