三态缓冲器的原理和应用浅析

三态缓冲器是一种控制设备，通过三态缓冲器可以实现逻辑控制。为增进大家对三态缓冲器的认识，本文将对三态缓冲器、三态缓冲器的原理、三态缓冲器的应用予以介绍。如果你对三态缓冲器具有兴趣，不妨继续往下阅读哦。

一、三态缓冲器及其原理

三态缓冲器(Three-state buffer)，又称为三态门、三态驱动器，其三态输出受到使能输出端的控制，当使能输出有效时，器件实现正常逻辑状态输出(逻辑0、逻辑1)，当使能输入无效时，输出处于高阻状态，即等效于与所连的电路断开。读/写控制电路接收CPU发来的相关控制信号，以控制数据的输入/输出。三态数据缓冲器是数据输入/输出的通道，数据传输的方向取决于控制逻辑对三态门的控制。CPU发往存储芯片的控制信号主要有读/写信号(R/W)、片选信号(CS)等。值得注意的是，不同性质的半导体存储芯片其外围电路部分也各有不同，如在动态RAM中还要有预充、刷新等方面的控制电路，而对于ROM芯片在正常工作状态下只有输出控制逻辑等。缓冲器是数字元件的其中一种，它对输入值不执行任何运算，其输出值和输入值一样，但它在计算机的设计中有着重要作用。缓冲器分为两种，常用缓冲器(常规缓冲器)和三态缓冲器。常规缓冲器总是将值直接输出，用于将电流输出到高一级电路系统。三态缓冲器除了常规缓冲器的功能外，还有一个选项卡通输入端，用E表示。当E=0和E=1时有不同的输出值。缓冲器又可以分为输入缓冲器和输出缓冲器两种。前者的作用是将外设送来的数据暂时存放，以便处理器将它取走;后者的作用是用来暂时存放处理器送往外设的数据。有了数控缓冲器，就可以使高速工作的CPU与慢速工作的外设起协调和缓冲作用，实现数据传送的同步。由于缓冲器接在数据总线上，故必须具有三态输出功能。当E=1时，选通，其输入直接送到输出;若E=0，缓冲器被阻止，无论输入什么值，输出的总是高阻态，用Z表示。高阻态能使电流降到足够低，以致于类似缓冲器的输出没有与任何东东相连。为减少信息传输线的数目，大多数计算机中的信息传输线均采用总线形式，即凡要传输的同类信息都走同一组传输线，且信息是分时传送的。在计算机中一般有三组总线，即数据总线、地址总线和控制总线。为防止信息相互干扰，要求凡挂在总线上的寄存器或存储器等，它的传输端不仅能呈现0、1两个信息状态，而且还应能呈现第三种状态——高阻抗状态(又称高阻状态)，即此时好像它们的输出被断开，对总线状态不起作用，此时总线可由其它器件占用。即可实现上述的功能，它除具有输入输出端之外，还有一控制端。当控制端E=1时，输出=输入，此时总线由该器件驱动，总线上的数据由输入数据决定;当控制端E=0时，输出端呈高阻抗状态，该器件对总线不起作用。当寄存器输出端接至三态门，再由三态门输出端与总线连接起来，就构成三态输出的级冲寄存器。如下图所示就是一个4位的三态输出缓冲寄存器。由于这里采用的是单向三态门，所以数据只能从寄存器输出到数据总线。如果要实现双向传送，则要用双向三态门。二、三态缓冲器的应用 1. 数码电路三态缓冲器可以用于数码电路中的多路器和选择器。这些器件可以将多个输入信号映射到不同的输出端口。通过使用控制信号，可以通过控制三态缓冲器输出的状态，将一个输入信号分配到多个输出信号中。这些功能对于数字信号的处理尤为重要。2. 计算机三态缓冲器广泛应用于计算机中。在计算机中，三态缓冲器可以用于控制系 统总线和内部总线。总线可以被连接到多个设备，用于在计算机内进行数据传输。通过使用三态缓冲器，可以控制总线的状态，使其只能被一个设备访问，以避免竞争等问题。3. 消费电子设备三态缓冲器还可以用于消费电子设备中。例如，在电视机遥控器中，通过使用三态 输出缓冲器，可以控制多个按键，使之产生相应的控制信号。在音频播放器中，三态缓冲器可以用于控制音频信号，并将其输出到扬声器。4. 通信系统三态缓冲器还可以用于通信系统中。在通信系统中，传输的信号通常是数字信号，因此对于数据传输的处理和控制尤为重要。通过使用三态缓冲器，可以控制和处理传输中的数字信号，并将其传输到其他设备中。 来 源 | 21IC ☞商务合作：☏ 请致电 010-82306118 / ✐ 或致件 Tiger@chinaaet.com

数字电路可控门电路原理（三态同相反相、缓冲驱动电路）

普通门电路，对输入信号是被动传输的。而可控门电路，则有一定的主动权，输入信号到了“门口”，是放行（正常传输），还是阻止（处于阻断状态），则由开、关门控制信号说了算。说白了，这种可控门，起码有两种状态，“开门”和“关门”状态。相对于普通门，多一个“关门”状态。

对此种数字电路的定义概念较多，如题目括号中所示。其输出级电路具三态特性。何谓三态？需从数字电路芯片的输出级结构来谈起。

图1-1 数字门电路输出级的三种结构形式

普通数字门电路的输出级电路，常用a电路形式，因内部Q1、Q2仅工作于饱和和截止两种工作状态，电路实质上相当于一刀两掷的高、低电平切换开关，要求接通电阻越小越好（传输电压信号时可忽略接通电阻/电压降），无论输出高、低电平，均为低阻状态。

b电路形式（开路集成极输出），称为高电压大电流器件，具备一定的功率驱动能力，如可以直接驱动继电器，典型器件如ULN2003A等，而外部负载电源可以另供为高电压（如24V或48V），以适应负载电源电压要求。

c电路形式，则除了高、低电平的低阻状态，还存在第三种状态：高阻态。如图1-2所示。

图1-2 三态式输出级的三种工作状态

其输出级Q1、Q2基极输入的是两路独立电平信号：

a态：当Q1导通时，相当于输出端与+5V接通，输出为高电平（低阻态1）；b态：Q2导通时，输出端相当于与供电地接通，输出为低电平（低阻态2）；c态：当控制信号俱为0时，Q1、Q2均处于截止状态，此时OUT输出端相当于“悬空”——高阻态（与内部电路失掉联系）。有两个问题：

1、处于高阻状态时，检测OUT端应该为什么电平？高阻态有何意义？

这与电路设计者的考虑——后级电路的输入要求相关。处于高阻态时，其输出电压状态的高、低完全由设计者决定——由接入偏置（上拉、或上拉电阻）电路来决定之。

图1-3 三态式输出级的三种工作状态

a电路，在高阻态其输出端取决于R1电路形式，为5V高电平。此高电平内部电路无关；b电路，在高阻态则由R2的下拉作用，使输出端为低电平，同样与输出级电路无关；c电路，为一个偏置电路实例，当电路设计要求在静态时，光电耦合器PC1处于截止状态，电路的安全性能更有保障时，接入R1上接电阻，使电路静态时，PC1无导通条件，显然更为合理和可靠。

因而电路的第三态——高阻态的出现，其意义如下：

1）可由设计者任意决定输出的高、低电平状态（与输出信号无关）；

2）当多组器件输出端需要并联（如信号总线模式）时，只有“需要动作”的器件工作模式为高、低电平（指低阻）态，而“闲置”电路，则处于高阻态，从而不会影响总线电平，不会影响有用信号。

2、什么情况下输出端会进入高阻态？三态门与普通门的区别？

以74HC240电路（八反相缓冲器/线驱动器/线接收器）为例加以说明。

图1-4 三态式输出级的三种工作状态

从上图可看出，芯片内含8路反相器电路，与普通反相器电路相比较，每路反相器除输入、输出端外，多出一个OE控制端。当OE端为低电平时，电路处于“开门”即通态，相当于普通反相器的功能；当OE端为高电平时，传输状态被阻断，输出端处于高阻状态。

显然，与普通门电路相比，可控门（为反相器或同相器）电路，多出一个OE控制端——“开、关门”信号输入端。信号的传输不但与输入信号状态相关，而且与OE控制端的状态相关。

以74HC240为例，当信号传输异常时，对可控门的故障检修需注意：

输入信号无，查前级电路；

控制端是否有“关门”信号存在，即1、19脚是否变为高电平？是，查OE端控制信号来源；

芯片本身损坏。当输入信号与控制端电平状态都正常时，落实至芯片本身。

常见三态同相/反相可控门电路型号为74HC240（八反相可控门）、74HC244（八同相可控门）、74HC365（六同相可控门）、75HC366（六反相可控门）。以74HC240为例：该器件斜对角10、20脚为电源引脚，除信号输入、输出引脚外，尚有两个OE控制端（1、19脚），每个OE端分别控制四路反相器电路的开、关门。

通常，普通门与三态门为基本逻辑电路，在些基础上，将普通门电路进行有序搭接，可组成复杂的组合型逻辑电路。近年来，MCU、DSP、PIC和JTAG等器件技术的完善，在一定程度上取代了组合逻辑电路（完成同一逻辑功能，采用MCU更为简洁，用软件方法即可完成——用程序行来代替了大片的硬件数字信号处理电路）。

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