بوابة Buffer وخاصية Fan-out
سنقدم لكم شرح للبوابة Buffer ما هي وكيف تعمل وما الفائدة منها مع شرح لخاصية Fan-out.
Buffer Gate
 |
| Buffer Gate |
هي بوابة يكون الدخل لها هو نفسه الخرج؛ويمكننا إعتبارها عبارة عن بوابتين نفي Not
gate متصلتان معا بحيث تعكس البوابة الأولى الدخل وتعيد الأخرى الدخل إلى أصله.
يكون الرمز لهذه البوابة عبارة عن دخل A يخرج كما هو دون تغيير Q ؛أما الرمز البوليني للبوابة Buffer يكون Q = A؛وجدول الحقيقة للبوابة Buffer يكون فيه عندما يكون الدخل يساوي (1) يكون الخرج أيضا (1) وعندما يكون الدخل (0) يكون الخرج (0).
ما هي الفائدة من بوابة Buffer مادام ليس لها تأثير على الدخل؟
رمز Buffer Gate
 |
| رمز Buffer Gate |
يكون الرمز لهذه البوابة عبارة عن دخل A يخرج كما هو دون تغيير Q ؛أما الرمز البوليني للبوابة Buffer يكون Q = A؛وجدول الحقيقة للبوابة Buffer يكون فيه عندما يكون الدخل يساوي (1) يكون الخرج أيضا (1) وعندما يكون الدخل (0) يكون الخرج (0).
تطبيقات بوابة بفر Buffer Applications
 |
| Buffer Applications |
ما هي الفائدة من بوابة Buffer مادام ليس لها تأثير على الدخل؟
- تستخدم لفصل البوابات عن بعضها البعض عند الحاجة إلى ذلك؛إذا كانت لدينا مجموعة من البوابات من المفترض أن تعطي قيم 1 و 0 لبوابات أخرى ولكن لا تستطيع ذلك وتحتاج إلى وسيط هذا الوسيط يكون بوابة Buffer.
- تستخدم لقيادة احمال تحتاج إلى تيارات أعلى مثل قيادة الترانزستور؛فنفترض مثلا ان لديك بوابة وتريد أن توصل بعدها ريلاي أو ترانزستور ولكن هنا يحتاج إلى تيار أعلى بشوية من قدرة البوابة نستعمل بوابة Buffer لإعطائه التيار الأعلى.
- لها قدرة على إعطاء تيار كافي لجميع البوابات على مخرجها لوجود خاصية Fan-out العالية بها.
ماهي خاصية Fan-out
 |
| ماهي خاصية Fan-out |
هي عبارة عن عدد البوابات التي يمكن وصلها على الخرج بحيث تعمل جميع البوابات
بكفاءة وشكل صحيح؛بحيث أنه كلما زاد ال Fan-out كلما كانت قدرة البوابة عالية.
لتوضيح ذلك نفترض ان لديك بوابة Driving gate هي التي تعطي تيارا معينا لبوابة Load gate أو بوابات أخرى يجب أن يكون تيار ل Driving gate يتناسب مع تيار البوابة Load gate هذا في حالة إذا كانت البوابة Driving gate الخرج لها يساوي (1)؛أما إذا كان الخرج للبوابة Driving gate يساوي (0) تصبح هي التى تستقبل التيار من البوابة Load gate ويجب ان تكون البوابة Driving gate قادرة على أخذ جميع التيارات القادمة من البوابات Load gate.
نجد في الداتا شيت للمثال السابق أن بوابة NAND قادرة على إعطاء في حالة I OH (يعني الخرج يساوي 1)يكون التيار لها يساوي 400 مايكرو أمبير وكلا من البوابات المتصلة بها تقدر تستقبل في حالة I IH يساوي 40 مايكروأمبير؛أما في حالة I OL(يعني الخرج يساوي 0) تكون البوابة هي المستقبلة للتيارات وتقدر تستقبل حتى 16 ملي أمبير ونجد أن البوابات المتصلة بها كل واحد منها تقدر تعطي 1.6 ملي أمبير في حالة I IL.
يمكنك حساب عدد Fan-out سواء في حالة High أو في حالة Low من خلال المعادلات التالية:
مثال على ذلك
نريد معرفة ال Fan-out للبوابة NAND 7400 عندما تقود بوابات NAND 7400 أيضا؟
نجد من بيانات الداتا شت ما يلي:
I OH = - 0.4 mA
I IH = 20 uA
I OL = 8 mA
I IL= - 0.4 mA
Fan-out (LOW) = 8 mA÷ 0.4 mA = 20
Fan-out (HIGH) = 0.4 mA ÷ 20 uA = 20
ولكن يجب ملاحظة ان كل هذه الحسابات هي لعائلة TTL أما عائلة COMS لها حسابات أخرى.
التيار الداخل لأي بوابة من عائلة COMS لابد ان يكون صغير جدا حيث ان الترانزستور لهذه العائلة من النوع الموسفت الذي لايستهلك تيار؛مما يسمح لك بتوصيل عدد أكبر من البوابات ولكن يجب مراعاة أن بداخل الموسفت مكثف Capacitor وعند توصيل عدد من البوابات يصبح كأنك بتوصل مكثفات على التوازي مما يكبر من حجم المكثف للبوابات Load gate فيكون على بوابة Driving gate التعامل مع ذلك ويمكنك معرفة ذلك من خلال الداتا شيت لها وتطبيق المعادلة الموجودة في الشكل السابق.
هو أقصى عدد للمداخل بحيث تعمل البوابة بشكل صحيح ويتم تحديد من قبل المصنع ولا أستطيع التغيير أو التعديل على أقصى عدد المداخل للبوابة.
البوابات العادية تعطي عند الخرج تيار يساوي 10 أضعاف التيار عند الدخل بينما بوابة Buffer/Driver تيار خرج أكبر ب 30 ضعف من تيار الدخل.
ونتيجة لما سبق عند قراءة الداتا شيت لأي بوابة ووجدت Buffer أو Driver بعد اسم البوابة تعرف أن هذه البوابة تعطي تيار أكبر مما يساعدك على تشغيل ريلاي من خلالها أو توصيل عدد أكبر من البوابات.
تنقسم إلى بوابة Buffer تعطي إحتمالين للخرج هما إما 1 أو 0 كما سبق شرحه ؛والنوع الثاني للبوابة Buffer يعطي ثلاث إحتمالات للخرج إما 0 أو 1 أو نتيبجة غير معروفة.
كلمة Tri تعني ثلاثي فنجد عند المدخل A حاجة إسمها Enable يعمل على تمكين البوابة من العمل أم لا؛ويوجد منها نوعان هما:
Active High
عند السماح (Enable=1) يكون الدخل يساوي الخرج ؛بينما عند عدم السماح(Enable=0) يكون الخرج Hi-Z وهي تعني مقاومة عالية وأي بوابة أخرى لن تعرف قيمة الخرج من بوابة Buffer وبالتالي تكون قيمة غير معرفة.
Active Low
وهي عبارة عن Enable فوقها شرطة وهي عكس الحالة السابقة من حيث التمكين فنجد انه عندما يكون (Enable=0) يكون الدخل يساوي الخرج ؛بينما عند عدم السماح (Enable=1) يكون الخرج Hi-Z نتيجة غير معروفة.
للبوابة Tri-state Buffer استخدامات عديدة من أهمها أن هناك بعض القطع الالكترونية يتم التحكم بها مع بعضها جميعا عن طريق الخطوط (الاسلاك) نفسها؛يساعد Tri-state Buffer على ربط أكثر من بوابة على نفس السلك والتحكم الداتا متي تخرج ومتي لا تخرج.
المصادر
الالكترونيات الرقمية: البوابات المنطقية-بوابة Buffer وخاصية ال Fan-out
دورة الالكترونيات الرقمية للمهندس وليد عيسى.
لتوضيح ذلك نفترض ان لديك بوابة Driving gate هي التي تعطي تيارا معينا لبوابة Load gate أو بوابات أخرى يجب أن يكون تيار ل Driving gate يتناسب مع تيار البوابة Load gate هذا في حالة إذا كانت البوابة Driving gate الخرج لها يساوي (1)؛أما إذا كان الخرج للبوابة Driving gate يساوي (0) تصبح هي التى تستقبل التيار من البوابة Load gate ويجب ان تكون البوابة Driving gate قادرة على أخذ جميع التيارات القادمة من البوابات Load gate.
نجد في الداتا شيت للمثال السابق أن بوابة NAND قادرة على إعطاء في حالة I OH (يعني الخرج يساوي 1)يكون التيار لها يساوي 400 مايكرو أمبير وكلا من البوابات المتصلة بها تقدر تستقبل في حالة I IH يساوي 40 مايكروأمبير؛أما في حالة I OL(يعني الخرج يساوي 0) تكون البوابة هي المستقبلة للتيارات وتقدر تستقبل حتى 16 ملي أمبير ونجد أن البوابات المتصلة بها كل واحد منها تقدر تعطي 1.6 ملي أمبير في حالة I IL.
كيفية حساب عدد البوابات Fan-out؟
يمكنك حساب عدد Fan-out سواء في حالة High أو في حالة Low من خلال المعادلات التالية:
 |
| معادلة لكيفية حساب عدد البوابات Fan-out |
مثال على ذلك
نريد معرفة ال Fan-out للبوابة NAND 7400 عندما تقود بوابات NAND 7400 أيضا؟
نجد من بيانات الداتا شت ما يلي:
I OH = - 0.4 mA
I IH = 20 uA
I OL = 8 mA
I IL= - 0.4 mA
Fan-out (LOW) = 8 mA÷ 0.4 mA = 20
Fan-out (HIGH) = 0.4 mA ÷ 20 uA = 20
ولكن يجب ملاحظة ان كل هذه الحسابات هي لعائلة TTL أما عائلة COMS لها حسابات أخرى.
حساب Fan-out لعائلة COMS
 |
| حساب Fan-out لعائلة COMS |
التيار الداخل لأي بوابة من عائلة COMS لابد ان يكون صغير جدا حيث ان الترانزستور لهذه العائلة من النوع الموسفت الذي لايستهلك تيار؛مما يسمح لك بتوصيل عدد أكبر من البوابات ولكن يجب مراعاة أن بداخل الموسفت مكثف Capacitor وعند توصيل عدد من البوابات يصبح كأنك بتوصل مكثفات على التوازي مما يكبر من حجم المكثف للبوابات Load gate فيكون على بوابة Driving gate التعامل مع ذلك ويمكنك معرفة ذلك من خلال الداتا شيت لها وتطبيق المعادلة الموجودة في الشكل السابق.
ما هو Fan-in
هو أقصى عدد للمداخل بحيث تعمل البوابة بشكل صحيح ويتم تحديد من قبل المصنع ولا أستطيع التغيير أو التعديل على أقصى عدد المداخل للبوابة.
الفرق بين البوابات العادية وبوابة Buffer/Driver
البوابات العادية تعطي عند الخرج تيار يساوي 10 أضعاف التيار عند الدخل بينما بوابة Buffer/Driver تيار خرج أكبر ب 30 ضعف من تيار الدخل.
ونتيجة لما سبق عند قراءة الداتا شيت لأي بوابة ووجدت Buffer أو Driver بعد اسم البوابة تعرف أن هذه البوابة تعطي تيار أكبر مما يساعدك على تشغيل ريلاي من خلالها أو توصيل عدد أكبر من البوابات.
أنواع بوابات Buffer
تنقسم إلى بوابة Buffer تعطي إحتمالين للخرج هما إما 1 أو 0 كما سبق شرحه ؛والنوع الثاني للبوابة Buffer يعطي ثلاث إحتمالات للخرج إما 0 أو 1 أو نتيبجة غير معروفة.
Tri-state Buffer
 |
| Tri-state Buffer |
كلمة Tri تعني ثلاثي فنجد عند المدخل A حاجة إسمها Enable يعمل على تمكين البوابة من العمل أم لا؛ويوجد منها نوعان هما:
Active High
عند السماح (Enable=1) يكون الدخل يساوي الخرج ؛بينما عند عدم السماح(Enable=0) يكون الخرج Hi-Z وهي تعني مقاومة عالية وأي بوابة أخرى لن تعرف قيمة الخرج من بوابة Buffer وبالتالي تكون قيمة غير معرفة.
Active Low
وهي عبارة عن Enable فوقها شرطة وهي عكس الحالة السابقة من حيث التمكين فنجد انه عندما يكون (Enable=0) يكون الدخل يساوي الخرج ؛بينما عند عدم السماح (Enable=1) يكون الخرج Hi-Z نتيجة غير معروفة.
للبوابة Tri-state Buffer استخدامات عديدة من أهمها أن هناك بعض القطع الالكترونية يتم التحكم بها مع بعضها جميعا عن طريق الخطوط (الاسلاك) نفسها؛يساعد Tri-state Buffer على ربط أكثر من بوابة على نفس السلك والتحكم الداتا متي تخرج ومتي لا تخرج.
المصادر
الالكترونيات الرقمية: البوابات المنطقية-بوابة Buffer وخاصية ال Fan-out
دورة الالكترونيات الرقمية للمهندس وليد عيسى.