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緩衝閘

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基本逻辑门
BUF NOT
AND NAND
OR NOR
XOR XNOR
IMP NIMP
輸入
A
輸出
BUF(A)
0 0
1 1
緩衝閘的電路符號

緩衝閘[1]英语:Buffer gate)又稱缓冲门同閘是閘英语:YES gate[2]驅動器放大器,是一種會輸出一個與輸入相同邏輯訊號的邏輯閘,是數位邏輯中實現緩衝放大用的邏輯閘,也可使當成數位邏輯中實現邏輯命題的邏輯閘,功能見右側真值表

雖然這似乎是一個毫無意義的事情,它也有實際的應用。例如 一個微弱的信號源可以透過緩衝閘而增強訊號[3]。緩衝閘前後的邏輯電平是不變的,因此有時也作為數位中繼器[4]

緩衝閘與直接導通不同,緩衝閘與其他邏輯閘一樣都有延遲,因此緩衝閘有時被做為數位電路的訊號延遲元件[5]

緩衝閘是一種單一輸入邏輯閘,另外一種單一輸入邏輯閘是反相器,功能正好相反。

概述[编辑]

下列包括邏輯閘的3種符號:形狀特徵型符號(ANSI/IEEE Std 91-1984)、IEC矩形國標符號(IEC 60617-12)和不再使用的DIN符號(DIN 40700)。其他的邏輯閘符號詳見逻辑门符号表

表達式 符號 功能表
ANSI/IEEE Std 91-1984 IEC 60617-12 DIN 40700
Buffer ANSI.svg
Buffer IEC.svg

Da-yes.jpg
Buffer DIN.svg
X BUF(X)
0 0
1 1

性質[编辑]

因為緩衝閘的輸出端訊號等於輸入端訊號,所以它並不會執行任何邏輯運算功能。但在數位電路中有時會需要使用緩衝閘來增加訊號強度,例如有一個邏輯閘的扇出數為4[註 1],但是該邏輯電路需要將其輸出再接到超過五個邏輯閘,此時可以在中間串接一個緩衝閘,由於緩衝閘不會使電路的邏輯行為發生改變,因此此舉可以確保電路的邏輯行為正確無誤。另外在單純NMOS或PMOS的邏輯電路中也可以使用緩衝閘來減少PMOS對高電平的電壓降與NMOS對低電平的電壓升。

此外由於邏輯閘運作時都會有延遲,由於緩衝閘不會執行任何邏輯運算功能,因此也可以做為電路中訊號延遲的元件。

電路實現[编辑]

標準7407 TTL六同相器中緩衝閘的排列
標準4050 CMOS六同相緩衝器中緩衝閘的排列

緩衝閘電路輸出電壓所代表的邏輯電平與輸入相同,這剛好與反相器相反,由於邏輯對合律,因此緩衝閘可由兩個反相器組合而成,反相器可以僅用一個NMOS電晶體或一個PMOS連接一個電阻來構建,因此緩衝閘也可以使用串接的輛個NMOS電晶體或PMOS電晶體構成,而CMOS則是將這兩種加以組合,達到互補的效果。

積體電路[编辑]

六同相器是一種包含6個緩衝閘的積體電路。例如,7407 TTL晶片有14個引腳,4050 CMOS晶片有16個引腳,兩種晶片都各有2個引腳用於電源供電/基準電壓,12個引腳用於6個緩衝閘的輸入和輸出(4050有2個引腳懸空)[6]。此外,741G34也是一種緩衝閘[7],但裡面只有單一個緩衝閘。

備選方案[编辑]

緩衝閘只要是邏輯輸出等於邏輯輸入的組合皆能使用,但不能使用電線代替,有些情況可以先用電壓跟隨器代替,但可能會有潛在的問題,最安全的方式是將兩個反相器串接。

由於緩衝閘要實現的等同於邏輯命題,因此只要輸入與輸出相等的函數皆能使用,例如邏輯的:冪等律有界律對合律吸收律

幂等律
有界律
對合律
吸收律

最簡單的兩種方式是將或閘與閘的兩個輸入接在一起即可完成一個緩衝閘[8]。另外,也能使用被認為是「通用的邏輯閘電路」的反及閘反或閘[9]來實現。若用反及閘實現緩衝閘,則將兩個反及閘的兩個輸入接在一起,然後將之串接;若用反或閘實現緩衝閘,則將兩個反或閘的四個輸入接在一起作為輸入,然後將兩個輸出接在第三個反或閘的兩個輸入即完成一個緩衝閘。

三態邏輯運用[编辑]

將緩衝閘的VDD端(附圖的En端)也作成輸入即可視為一個三態邏輯元件

一般邏輯閘輸出的高電位大部分是使用VDD端接高電位或電源而完成,但若將緩衝閘的VDD端接也作為輸入的話則可以達成三態邏輯的效果[10]。 這個效果則允許輸出端在0和1兩種邏輯電平之外呈現高阻態,等效於將輸出的影響從後級電路中移除。這允許多個電路共同使用同一個輸出線(例如匯流排)。

輸入
A   B
輸出
C
0 1 0
1 1
X 0 Z

單一輸入邏輯閘[编辑]

緩衝閘是一種單一輸入邏輯閘,另外一種單一輸入邏輯閘是反相器。在布林代數中,單一輸入的布林函數共有四種:

其中兩種就是緩衝閘反相器,分別實現邏輯命題邏輯非,而另外兩種分別為邏輯永真以及邏輯永假

邏輯閘 邏輯命題 邏輯非 邏輯永真 邏輯永假
緩衝閘 相反閘 恆真閘 恆假閘
輸入
A
輸出
BUF(A)
輸出
輸出
永真
輸出
永假
0 0 1 1 0
1 1 0 1 0

但在數位邏輯電路中通常不會出現恆真閘與恆假閘,因為恆真閘實際上就是指短路、電源或高電位(邏輯真)的供應元件,反之恆假閘就是指斷路接地,且這兩種门的輸出與輸入無關。

參見[编辑]

註釋[编辑]

  1. ^ 輸出端可接的標準負載個數的最大值

參考文獻[编辑]

  1. ^ buffer gate terms.naer.edu.tw 國家教育研究院 2003-6 [2015-10-1]
  2. ^ YES gates 2012.igem.org [2015-10-1]
  3. ^ Buffer gate logic.ly [2015-10-1]
  4. ^ The “Buffer” Gate allaboutcircuits.com [2015-10-1]
  5. ^ Logic gates 章節1:Inverter (NOT Gate) and Buffer, 第二部分:Buffer Gate, macao.communications.museum [2015-10-1]
  6. ^ Texas Instruments4050b CMOS六同相緩衝器/轉換器,資料表:CMOS Hex Buffer/Converters
  7. ^ 741G34(SN74LVC1G34)的資料表 ti.com [2015-10-1]
  8. ^ logic gate 段落 YES gate, cpuville.com [2015-10-1]
  9. ^ Mano, M. Morris and Charles R. Kime. Logic and Computer Design Fundamentals, Third Edition. Prentice Hall, 2004. p. 73.
  10. ^ Tri-state use buffer gate lectronics-tutorials.ws [2015-10-1]

延伸閱讀[编辑]