¿Cuál es el propósito de una puerta de seguridad?

Según tengo entendido, una puerta de seguridad es lo opuesto a una puerta NO y no cambia la entrada:

Sin embargo, a veces veo que los circuitos integrados de la puerta del búfer se usan en circuitos y, para un ojo inexperto, parecen no hacer nada en absoluto. Por ejemplo, recientemente he visto una puerta de búfer no inversora utilizada en la salida de un seguidor de emisor, más o menos así:

Entonces, ¿cuándo se requeriría usar un buffer IC en su circuito? ¿Cuál podría ser el propósito de la puerta en el esquema antes mencionado?

Los búferes se usan cuando se necesita ... bueno ... un búfer. Como en el significado literal de la palabra. Se usan cuando necesita almacenar en búfer la entrada de la salida. Hay innumerables formas de usar un búfer. Hay memorias intermedias de compuertas lógicas digitales, que son pasadas lógicamente, y hay memorias intermedias analógicas, que actúan como pasadas pero para un voltaje analógico. Este último está fuera del alcance de su pregunta, pero si tiene curiosidad, busque 'seguidor de voltaje'.

Entonces, ¿cuándo o por qué usarías uno? Al menos cuando es el búfer más simple y barato de todos, ¿hay un cable / rastro de cobre disponible?

Aquí hay algunas razones:

1. Aislamiento lógico. La mayoría de los buffers tienen un pin ~ OE o similar, un pin de habilitación de salida. Esto le permite convertir cualquier línea lógica en una tristada. Esto es especialmente útil si desea poder conectar o aislar dos buses (con búferes en ambos sentidos si es necesario), o tal vez solo un dispositivo. Un búfer, que es un búfer entre esas cosas, te permite hacer eso.

2. Traducción de nivel. Muchas memorias intermedias permiten que el lado de salida se alimente desde un voltaje diferente que el lado de entrada. Esto tiene usos obvios para traducir los niveles de voltaje.

3. Digitalización / repetición / limpieza. Algunos buffers tienen histéresis, por lo que pueden tomar una señal que está tratando de ser realmente digital, pero que no tiene muy buenos tiempos de subida o no está funcionando bien con los umbrales o lo que sea, y limpiarlo y convertirlo en Una señal digital agradable, nítida y de bordes limpios.

4. Aislamiento físico Debe enviar una señal digital más lejos de lo que desea, las cosas son ruidosas y un búfer es un excelente repetidor. En lugar de un pin GPIO en el extremo receptor con un pie de pcb conectado a él, actuando como antena, inductor y condensador y literalmente vomitando cualquier ruido y horror que desee directamente en la boca abierta de ese pin pobre, usa buffer. Ahora el pin GPIO solo ve el rastro entre él y el búfer, y los bucles actuales están aislados. Demonios, incluso puede terminar correctamente la señal ahora, como con una resistencia de 50Ω (o lo que sea), porque también tiene un búfer en el extremo de transmisión y puede cargarlos de una manera que nunca podría cargar un pequeño pin µC débil.

5. Conducir cargas. Su fuente de entrada digital es de alta impedancia, demasiado alta para interactuar realmente con el dispositivo que desea controlar. Un ejemplo común podría ser un LED. Entonces usas un buffer. Selecciona uno que puede conducir, digamos, 20 mA fácilmente, y maneja el LED con el búfer, en lugar de la señal lógica directamente.

Ejemplo: desea LED de indicación de estado en algo como un bus I2C, pero agregar LED directamente a las líneas I2C causaría problemas de señalización. Entonces usas un buffer.

6. Sacrificio . Los buffers a menudo tienen varias características de protección, como la protección ESD, etc. Y a menudo no. Pero de cualquier manera, actúan como un amortiguador entre algo y otra cosa. Si tiene algo que podría experimentar algún tipo de condición transitoria que podría dañar algo, coloque un búfer entre esa cosa y la fuente transitoria.

Dicho de otro modo, a los chips les encanta explotar casi tanto como a los semiconductores. Y la mayoría de las veces, cuando algo sale mal, los chips explotan. Sin buffers, a menudo, cualquier transitorio que esté haciendo estallar chips a la izquierda y a la derecha llegará a su circuito y destruirá un montón de chips a la vez. Los amortiguadores pueden evitar eso. Soy un gran admirador del amortiguador de sacrificios. Si algo va a explotar, prefiero que sea un búfer de 50 ¢ y no un FPGA de $ 1000.

Esas son algunas de las razones más comunes que se me ocurren. Estoy seguro de que hay otras situaciones, tal vez obtendrá más respuestas con más usos. Creo que todos estarán de acuerdo en que los buffers son terriblemente útiles, incluso si a primera vista parecen bastante inútiles.

Las compuertas intermedias simples tienen algunas aplicaciones:

• En los días anteriores, había un despliegue limitado de una salida lógica, cuando se alimentaba a múltiples entradas posteriores. Si no recuerdo mal, fue alrededor de 5 para TTL LS. Entonces, si utilizó una salida para alimentar más de 5 entradas, los niveles lógicos ya no estaban garantizados. Podrías usar buffers para resolver este problema. Cada búfer podría alimentar otras 5 entradas (con un pequeño retraso). Ahora, con CMOS, ya no es realmente relevante, el despliegue es mucho mayor y nunca es un problema.
• Se puede usar para "amplificar" una señal débil. Si la señal tiene una impedancia muy alta y desea usarla como entrada de un circuito que tiene una baja impedancia de entrada, los niveles lógicos no estarían dentro de las especificaciones. Tal vez este es el uso en su ejemplo específico.
• Se puede usar como una pequeña línea de retardo.
• Por lo general, el búfer tiene una entrada de activación schmitt (pero luego usualmente dibujamos un pequeño signo de "histéresis": ⎎ en el triángulo del búfer, y parece que no es su caso). Por lo tanto, si el nivel lógico está entre alto y bajo, la salida todavía está definida de manera predecible (se mantiene al nivel que está). Esto tiene muchos usos cuando se conectan señales analógicas (por ejemplo, procedentes de sensores) a entradas digitales.

Aparte de eso, no hay muchos usos. Es por eso que no los encontramos fácilmente, en realidad.

Las memorias intermedias se usan cuando es necesario para cumplir con los requisitos que no funcionan, a menudo la velocidad (o la impedancia de entrada / salida, que afecta la velocidad). Un circuito abstraído a menudo no muestra suficientes detalles para apreciar esta necesidad. En su circuito, R1 puede ser demasiado alto para conducir lo que esté conectado a la salida a bajo de una manera rápida y confiable.

Otra razón podría ser que el buffer contiene protección de salida (limitación de corriente, protección ESD).