Qual é o propósito de um buffer gate?

Pelo que entendi um buffer gate é o oposto de um gate NOT e não altera a entrada:

No entanto, às vezes vejo ICs de gateways de buffer usados ​​em circuitos e, para um olho inexperiente, eles parecem não fazer absolutamente nada. Por exemplo, recentemente, vi um buffer gate não inversor usado na saída de um seguidor de emissor, aproximadamente algo como isto:

Então, quando alguém precisaria usar um buffer IC em seu circuito? Qual poderia ser o propósito do portão no esquema acima mencionado?

Buffers são usados ​​sempre que você precisar ... bem ... de um buffer. Como no significado literal da palavra. Eles são usados ​​quando você precisa armazenar em buffer a entrada da saída. Existem inúmeras maneiras de usar um buffer. Existem buffers de portas lógicas digitais, que são passagens lógicas no sentido lógico, e há buffers analógicos, que atuam como passagens, mas para uma tensão analógica. O último está meio fora do escopo da sua pergunta, mas se você estiver curioso, procure 'seguidor de tensão'.

Então, quando ou por que você usaria um? Pelo menos quando o buffer mais simples e barato de todos, um fio / rastreamento de cobre está prontamente disponível?

Aqui estão algumas razões:

1. Isolamento lógico. A maioria dos buffers possui um pino ~ OE ou similar, um pino de habilitação de saída. Isso permite transformar qualquer linha lógica em uma linha tristada. Isso é especialmente útil se você deseja conectar ou isolar dois barramentos (com buffers nos dois sentidos, se necessário), ou talvez apenas um dispositivo. Um buffer, sendo um buffer entre essas coisas, permite fazer isso.

2. Tradução de Nível. Muitos buffers permitem que o lado de saída seja alimentado por uma tensão diferente do lado de entrada. Isso tem usos óbvios para traduzir os níveis de tensão.

3. Digitalização / repetição / limpeza. Alguns buffers têm histerese, para que possam receber um sinal que está se esforçando para ser digital, mas simplesmente não têm tempos de subida muito bons ou não estão funcionando bem com limites ou o que quer que seja, e limpam e transformam em um sinal digital bonito, nítido e com bordas limpas.

4. Isolamento físico Você precisa enviar um sinal digital além do desejado, as coisas são barulhentas e um buffer é um excelente repetidor. Em vez de um pino GPIO na extremidade receptora ter um pé de traço de placa de circuito impresso conectado a ele, atuando como uma antena, indutor e capacitor e literalmente vomitando o que quer que seja o ruído e a horror que ele deseja diretamente na boca aberta desse pino, você usa um amortecedor. Agora o pino GPIO vê apenas o traço entre ele e o buffer, e os loops atuais são isolados. Caramba, você pode até terminar o sinal corretamente agora, como com um resistor de 50Ω (ou qualquer outro), porque você também possui um buffer na extremidade da transmissão e pode carregá-los de maneira que você nunca poderia carregar um pequeno pino de µC.

5. Condução de cargas.Sua fonte de entrada digital é alta impedância, muito alta para realmente interagir com o dispositivo que você deseja controlar. Um exemplo comum pode ser um LED. Então você usa um buffer. Você seleciona um que pode dirigir, digamos, 20 mA facilmente, e você conduz o LED com o buffer, em vez do sinal lógico diretamente.

Exemplo: você deseja LEDs de indicação de status em algo como um barramento I2C, mas adicionar LEDs diretamente às linhas I2C causaria problemas de sinalização. Então você usa um buffer.

6. Sacrifício . Os buffers geralmente têm vários recursos de proteção, como proteção ESD, etc. E, muitas vezes, não. Mas de qualquer maneira, eles agem como um amortecedor entre algo e outra coisa. Se você tem algo que pode experimentar algum tipo de condição transitória que pode danificar algo, coloque um buffer entre essa coisa e a fonte transitória.

Em outras palavras, os chips adoram explodir quase tanto quanto os semicondutores. E na maioria das vezes, quando algo dá errado, os chips explodem. Sem buffers, geralmente qualquer transiente que esteja estourando os chips para a esquerda e para a direita alcançará profundamente seu circuito e destruirá um monte de chips de uma só vez. Os buffers podem impedir isso. Eu sou um grande fã do buffer de sacrifício. Se algo vai explodir, eu prefiro que seja um buffer de 50 ¢ e não um FPGA de $ 1000.

Esses são alguns dos motivos mais comuns que eu conseguia pensar de cabeça para baixo. Tenho certeza de que existem outras situações, talvez você obtenha mais respostas com mais usos. Acho que todos concordam que os buffers são muito úteis, mesmo que à primeira vista pareçam inúteis.

Portas de buffer simples têm algumas aplicações:

• Nos dias mais velhos, lá onde limitada fan-out de uma saída lógica, quando alimentados a várias entradas posteriores. Se bem me lembro, era cerca de 5 para TTL LS. Portanto, se você usou uma saída para alimentar mais de 5 entradas, os níveis lógicos não eram mais garantidos. Você pode usar buffers para resolver esse problema. Cada buffer pode alimentar outras 5 entradas (com um pequeno atraso envolvido). Agora, com o CMOS, ele não é mais relevante, o fanout é uma ordem de magnitude maior e nunca é um problema.
• Pode ser usado para "amplificar" um sinal fraco. Se o sinal tiver uma impedância muito alta e você desejar usá-lo como entrada de um circuito com baixa impedância de entrada, os níveis lógicos não estarão dentro das especificações. Talvez esse seja o uso em seu exemplo específico.
• Pode ser usado como uma pequena linha de atraso.
• Normalmente, o buffer possui uma entrada de gatilho schmitt (mas geralmente desenhamos um pequeno sinal de "histerese": ⎎ no triângulo do buffer, e parece que não é o seu caso). Portanto, se o nível lógico estiver entre alto e baixo, a saída ainda será definida de forma previsível (permanece no nível em que está). Isso é muito usado na interface de sinais analógicos (por exemplo, provenientes de sensores) para entradas digitais.

Fora isso, não há muitos usos para isso. É por isso que não as encontramos facilmente, na verdade.

Os buffers são usados ​​quando necessário para atender aos requisitos que não são de função, geralmente velocidade (ou impedância de entrada / saída, que afeta a velocidade). Um circuito abstraído geralmente não mostra detalhes suficientes para apreciar essa necessidade. No seu circuito, o R1 pode ser muito alto para conduzir para baixo o que estiver conectado à saída, de maneira rápida e confiável.

Outro motivo pode ser que o buffer contenha proteção de saída (limitação de corrente, proteção ESD).