デジタルバッファ

デジタルバッファの表現

デジタルバッファ（またはロジックバッファ）は、デジタル入力信号をコピーし、出力負荷から分離するために使用される電子回路素子です。電圧をロジック信号として使用する典型的なケースでは、ロジックバッファの入力インピーダンスは高く、入力回路からほとんど電流を引き出さず、信号への影響を抑制します。

デジタルバッファは、接続されたシステム間のデータ転送において重要な役割を果たします。バッファは、レジスタ（データ記憶装置）とバス（データ転送装置）で使用されます。共有バスに接続するには、トライステートデジタルバッファを使用する必要があります。トライステートデジタルバッファは、論理ローとハイに加えて、ハイインピーダンス（「非アクティブ」または「切断」）の出力状態を持つためです。

機能性

電圧バッファアンプは、高出力インピーダンス回路から低入力インピーダンス回路へ電圧を転送します。低インピーダンス負荷を電源に直接接続すると、オームの法則に従って電流が流れます。この高電流は電源に影響を与えます。バッファ入力は高インピーダンスです。バッファリングされた負荷は、実質的に電源回路に影響を与えません。バッファの出力電流はバッファ内で生成されます。このように、バッファは電源と低インピーダンス回路を分離します。バッファは入力信号を意図的に増幅または減衰しないため、ユニティゲインバッファと呼ばれることもあります。

デジタルバッファは、デジタルロジックレベルのみを扱う電圧バッファアンプの一種であり、非線形となる場合があります。また、入力電圧とは異なる出力電圧を生成するレベルシフタとしても機能します。その一例として、アクティブハイ信号をアクティブロー信号に変換する反転バッファ（またはその逆）が挙げられます。

種類

単一入力電圧バッファ

反転バッファ

このバッファの出力状態は入力状態の反対です。入力がハイの場合、出力はローになり、その逆も同様です。図で表すと、反転バッファは出力に小さな円が付いた三角形で表され、円は反転を意味します。インバータはデジタルエレクトロニクスの基本的な構成要素です。デコーダ、ステートマシン、その他の高度なデジタルデバイスには、インバータが組み込まれていることがよくあります。

非反転バッファ

この種のバッファは、反転や判断を行う機能を持ちません。シングル入力デジタルバッファはインバータとは異なり、入力信号を反転したり変更したりすることはありません。入力を読み取って値を出力します。通常、入力側はHIGHまたはLOWの入力を読み取り、それに応じてHIGHまたはLOWの値を出力します。出力端子がHIGH信号を出力するかLOW信号を出力するかは、入力値によって決まります。出力値は、入力値がHIGHの場合にのみHIGHになります。つまり、QはAがHIGHの場合にのみHIGHになります。

トライステートデジタルバッファ

入力が1つしかないシングル入力デジタルバッファとは異なり、トライステートデジタルバッファにはデータ入力と制御入力の2つの入力があります。（制御入力は、データの流れを制御するバルブに似ています。）制御入力がアクティブな場合、出力値は入力値となり、バッファはシングル入力デジタルバッファと変わりません。

アクティブハイトライステートデジタルバッファ

アクティブハイトライステートデジタルバッファは、制御入力電圧がハイ（論理1）の場合にのみデータ入力を出力に伝送するアクティブ状態にあるバッファです。[1]しかし、制御入力がロー（論理0）の場合には、部品が回路から取り外されたかのように、出力は高インピーダンス（「Hi-Z」と略記）になります。

非反転、アクティブハイ
データ入力制御入力出力
00ハイ・Z
10ハイ・Z
010
111

アクティブロートライステートデジタルバッファ

制御入力が低い状態のときにバッファがアクティブになる点を除けば、基本的にはアクティブ ハイ デジタル バッファと同じです。

非反転、アクティブロー
データ入力制御入力出力
000
101
01ハイ・Z
11ハイ・Z

反転トライステートデジタルバッファ

トライステート デジタル バッファには、出力が入力の反転になる反転型もあります。

反転、アクティブハイ
データ入力制御入力出力
00ハイ・Z
10ハイ・Z
011
110
反転、アクティブロー
データ入力制御入力出力
001
100
01ハイ・Z
11ハイ・Z

応用

単一入力電圧バッファは、次のような測定のさまざまな場所で使用されます。

  • 橋梁、飛行機の翼、建物の I 形梁などの構造物の変形を測定するためのひずみゲージ回路。
  • ボイラーの温度測定回路や寒冷環境の高高度航空機など。
  • 航空機、空港や地下鉄の旅客輸送システム、およびさまざまな生産工程の制御回路に使用されます。

トライステート電圧バッファは、共有バスへの送信に広く使用されています。これは、バスが一度に1つの入力デバイスのデータしか送信できないためです。バスの共有配線をアクティブに駆動できるのは最大で1つのデバイスだけであるため、ハイインピーダンス出力状態は、実質的にその入力デバイスをバスから一時的に切断します。

参考文献

  1. ^ 「デジタルバッファチュートリアル」. Electronics Tutorials . 2013年8月22日. 2019年3月13日閲覧。
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