Lógica de tres estados

En electrónica digital , un buffer triestado o de tres estados es un tipo de buffer digital que tiene tres estados estables: un estado de salida de alto voltaje (lógico 1), un estado de salida bajo (lógico 0) y un estado de alta impedancia (Hi-Z). En el estado Hi-Z, la salida del buffer está efectivamente desconectada del circuito subsiguiente .

Los búferes triestado se utilizan comúnmente en sistemas basados ​​en bus donde varios dispositivos están conectados al mismo bus compartido, ya que el estado de alta impedancia (Hi-Z) permite que otros dispositivos controlen el bus sin interferencias del búfer triestado. Por ejemplo, en un sistema informático, varios dispositivos como la CPU , la memoria y los periféricos pueden estar conectados al mismo bus de datos. Para garantizar que solo un dispositivo pueda transmitir datos en el bus a la vez, cada dispositivo está equipado con un búfer triestado. Cuando un dispositivo desea transmitir datos, activa su búfer triestado, que conecta su salida al bus y le permite transmitir datos. Cuando la transmisión se completa, el dispositivo desactiva su búfer triestado, lo que desconecta su salida del bus y permite que otro dispositivo acceda a él. Los búferes triestado también son útiles para reducir la diafonía y el ruido en un bus.

La salida triestado se puede incorporar a diversas puertas lógicas , biestables , microcontroladores u otros circuitos lógicos digitales.

Un buffer triestado se comporta como un interruptor abierto (es decir, presenta una salida de alta impedancia) cuando la señal de habilitación B está desactivada, o como un buffer no inversor normal (que duplica y amplifica la entrada en la salida) cuando la señal de habilitación está activada:

A diferencia de una puerta de transmisión simple , un búfer triestado, cuando está habilitado, proporciona además una restauración del nivel de voltaje para elevar la entrada y que se encuentre dentro de su rango de voltaje lógico válido . El comportamiento de un búfer triestado se describe mediante la siguiente tabla de verdad :

Alternativamente, invertir los búferes triestado cuando están habilitados invertirá la entrada A.

El propósito del estado de alta impedancia (Hi-Z) es eliminar eficazmente la influencia de un dispositivo sobre el resto del circuito. Si varios dispositivos emiten señal a través de un cable compartido, ningún dispositivo debe llevar dicho cable a un nivel de voltaje lógico cuando otro dispositivo lo lleva a otro nivel de voltaje lógico, ya que esa competencia provocaría un consumo excesivo de corriente a través del cortocircuito y un nivel de voltaje incierto.

Los dispositivos de tres estados en muchos buses electrónicos compartidos presentan una salida de alta impedancia (Hi-Z) cuando no se comunican activamente, de modo que los cables compartidos estén disponibles para su control. Por ejemplo, en un bus de interfaz periférica serie (SPI) en configuración multidrop , solo se puede seleccionar un chip periférico a la vez mediante su CS ( selección de chip ), mientras que todos los demás chips periféricos presentan una salida Hi-Z para evitar la corrupción de los datos enviados por el chip seleccionado. Los buses de tres estados se utilizan normalmente entre chips en una misma placa de circuito impreso (PCB), o a veces entre PCB conectadas a un plano posterior común .

Los búferes de tres estados también se pueden utilizar para implementar multiplexores eficientes , especialmente aquellos con un gran número de entradas. ^{[ 1 ]}

La multiplexación triestado, también conocida como Charlieplexing , se utiliza para reducir el número de cables necesarios para controlar un conjunto de diodos emisores de luz .

Muchos dispositivos de memoria diseñados para conectarse a un bus (como los chips de RAM y ROM) tienen pines CS y OE (habilitación de salida), que superficialmente parecen hacer lo mismo. Si CS no está activado, las salidas son de alta impedancia (Hi-Z).

La diferencia radica en el tiempo necesario para generar la señal. Cuando la señal de selección de chip está desactivada, el chip no opera internamente y se produce un retraso significativo entre el envío de la dirección y la recepción de los datos. (Una ventaja, por supuesto, es que el chip consume una cantidad mínima de energía en este caso).

Cuando se activa la selección de chip, el chip realiza el acceso internamente, y solo los controladores de salida finales se desactivan al deshabilitar la salida. Esto se puede hacer mientras el bus se utiliza para otros fines, y cuando finalmente se activa la salida, los datos aparecerán con un retardo mínimo. Un chip ROM o RAM estática con una línea de habilitación de salida normalmente mostrará dos tiempos de acceso: uno desde que se activa la selección de chip y la dirección es válida, y un segundo tiempo más corto que comienza cuando se activa la salida.

Cuando las salidas están en estado de alta impedancia (high-Z), su influencia sobre el resto del circuito desaparece, y el nodo del circuito queda "flotando" si ningún otro elemento del circuito determina su estado. Los diseñadores de circuitos suelen utilizar resistencias de polarización (generalmente entre 1 y 100  kΩ) para controlar el circuito cuando la salida está en estado de alta impedancia.

El bus local PCI cuenta con resistencias pull-up, pero estas requerirían varios ciclos de reloj para elevar una señal debido a la gran capacitancia distribuida del bus . Para permitir un funcionamiento a alta velocidad, el protocolo exige que cada dispositivo conectado al bus mantenga las señales de control importantes en estado alto durante al menos un ciclo de reloj antes de pasar al estado Hi-Z. De esta forma, las resistencias pull-up solo se encargan de mantener las señales del bus ante corrientes de fuga . Intel denomina a esta convención "tri-estado sostenido" y también la utiliza en el bus Low Pin Count .

La salida de colector abierto es una alternativa a la lógica de tres estados. Por ejemplo, el bus I²C bidireccional utiliza resistencias pull-up en sus dos líneas de comunicación compartidas. Cuando no transmiten, los dispositivos presentan una salida de alta impedancia (Hi-Z) para "liberar" el control de las líneas de comunicación. Cuando todos los dispositivos del bus están en Hi-Z, la única influencia en el circuito son las resistencias pull-up, que elevan las líneas a un nivel alto. Cuando un dispositivo desea transmitir, sale del estado Hi-Z y baja la línea a un nivel bajo. Los dispositivos que se comunican a través de I²C pueden dejar la línea en un nivel alto o bajarla  , evitando así cualquier situación de contención del bus en la que un dispositivo eleva una línea y otro la baja.

Los primeros microcontroladores solían tener algunos pines que solo podían funcionar como entrada, otros que solo podían funcionar como salida push-pull y unos pocos que solo podían funcionar como entrada/salida de colector abierto . Un microcontrolador moderno típico tiene muchos pines de entrada/salida de propósito general de tres estados que se pueden programar para funcionar como cualquiera de esos tipos de pines.

No se recomienda el uso de lógica de tres estados para conexiones dentro del chip, sino para conexiones entre chips. ^{[ 2 ]} Los búferes de tres estados, cuando se utilizan para habilitar la comunicación entre múltiples dispositivos en un bus de datos, pueden reemplazarse funcionalmente por un multiplexor . ^{[ 3 ]} Esto ayudará a seleccionar la salida de un rango de dispositivos y escribir una en el bus.

• Amplificador buffer
• Nivel lógico
• Metaestabilidad
• Lógica trivalente
• Lógica de cuatro valores
• Lógica de nueve valores
• No me importa
• Unipolar, centro apagado (SPCO)

• Puertas de salida especial en All About Circuits
• Principio de multiplexación triestado