В электронике буферный усилитель — это усилитель с единичным коэффициентом усиления , который копирует сигнал из одной схемы в другую, преобразуя его электрический импеданс для обеспечения более идеального источника (с более низким выходным сопротивлением для буфера напряжения или более высоким выходным сопротивлением для токового буфера) . ). Это «буферизирует» источник сигнала в первой цепи от воздействия токов электрической нагрузки второй цепи и может быть просто названо буфером или повторителем , когда контекст ясен.
Буферный усилитель напряжения используется для преобразования сигнала напряжения с высоким выходным сопротивлением из первой цепи в идентичное напряжение с низким импедансом для второй цепи. Промежуточный буферный усилитель не позволяет второй схеме неприемлемо нагружать первую схему и мешать ее желаемой работе, поскольку без буфера напряжения на напряжение второй цепи влияет выходное сопротивление первой цепи (поскольку оно больше, чем входное сопротивление). сопротивление второй цепи). В идеальном буфере напряжения (рис. 1 вверху) входное сопротивление бесконечно, а выходное сопротивление равно нулю. Другими свойствами идеального буфера являются: идеальная линейность независимо от амплитуд сигнала; и мгновенный отклик на выходе, независимо от скорости входного сигнала.
Если напряжение передается неизменным ( коэффициент усиления напряжения A v равен 1), усилитель представляет собой буфер с единичным коэффициентом усиления ; также известный как повторитель напряжения , поскольку выходное напряжение следует за входным напряжением или отслеживает его. Хотя коэффициент усиления по напряжению буферного усилителя напряжения может быть (приблизительно) единицей, он обычно обеспечивает значительный коэффициент усиления по току и, следовательно, прирост мощности. Однако обычно говорят, что он имеет коэффициент усиления 1 (или эквивалент 0 дБ ), имея в виду коэффициент усиления по напряжению.
В качестве примера рассмотрим источник Тевенена (напряжение VA , последовательное сопротивление R A ) , управляющий резисторной нагрузкой R L. Из-за деления напряжения (также называемого «нагрузкой») напряжение на нагрузке составляет всегоВ А Р Л/Р Л + Р А. Однако, если источник Тевенена управляет буфером с единичным коэффициентом усиления, таким как показанный на рисунке 1 (вверху, с единичным коэффициентом усиления), входное напряжение усилителя составит ВА и без деления напряжения , поскольку входное сопротивление усилителя бесконечно. На выходе зависимый источник напряжения подает на нагрузку напряжение A v V A = V A , опять же без деления напряжения, поскольку выходное сопротивление буфера равно нулю. Эквивалентная схема Тевенена, состоящая из исходного источника Тевенена и буфера, представляет собой идеальный источник напряжения VA с нулевым сопротивлением Тевенена.
Обычно буферный усилитель тока используется для преобразования токового сигнала с низким выходным сопротивлением из первой цепи в идентичный ток с высоким импедансом для второй цепи. [1] Промежуточный буферный усилитель не позволяет второй цепи недопустимо нагружать ток первой цепи и мешать ее желаемой работе. В идеальном токовом буфере (нижний рисунок 1) выходное сопротивление бесконечно (идеальный источник тока), а входное сопротивление равно нулю (короткое замыкание). Опять же, другими свойствами идеального буфера являются: идеальная линейность независимо от амплитуд сигнала; и мгновенный отклик на выходе, независимо от скорости входного сигнала.
Для текущего буфера, если ток передается неизменным (токовой коэффициент усиления β i равен 1), усилитель снова является буфером с единичным коэффициентом усиления ; на этот раз известный как повторитель тока , поскольку выходной ток следует за входным током или отслеживает его.
В качестве примера рассмотрим источник Нортона (ток I A , параллельное сопротивление R A ), управляющий резисторной нагрузкой R L . Из-за разделения тока (также называемого «нагрузкой») ток, подаваемый в нагрузку, составляет всегоЯ А Р А/Р Л + Р А. Однако, если источник Нортона управляет буфером с единичным коэффициентом усиления, таким как на рисунке 1 (внизу, с единичным коэффициентом усиления), входной ток усилителя будет I A без деления тока , поскольку входное сопротивление усилителя равно нулю. На выходе зависимый источник тока подает в нагрузку ток β i I A = I A , опять же без деления тока, поскольку выходное сопротивление буфера бесконечно. Эквивалентная схема Нортона, состоящая из исходного источника Нортона и буфера, представляет собой идеальный источник тока I A с бесконечным сопротивлением Нортона.
Буферный усилитель с единичным коэффициентом усиления можно сконструировать путем применения полной последовательной отрицательной обратной связи (рис. 2) к операционному усилителю , просто подключив его выход к инвертирующему входу и подключив источник сигнала к неинвертирующему входу (рис. 3). ). Единичный коэффициент усиления здесь подразумевает коэффициент усиления по напряжению , равный единице (т. е. 0 дБ), но ожидается значительный коэффициент усиления по току . В этой конфигурации все выходное напряжение (β = 1 на рис. 2) подается обратно на инвертирующий вход. Разница между неинвертирующим входным напряжением и инвертирующим входным напряжением усиливается операционным усилителем. Это соединение заставляет операционный усилитель регулировать свое выходное напряжение так, чтобы оно просто равнялось входному напряжению (V out следует за V in , поэтому схема называется повторителем напряжения операционного усилителя).
Импеданс этой схемы зависит не от какого-либо изменения напряжения, а от входного и выходного импеданса операционного усилителя. Входное сопротивление операционного усилителя очень велико (от 1 МОм до 10 ТОм ), что означает, что вход операционного усилителя не нагружает источник и потребляет от него лишь минимальный ток. Поскольку выходное сопротивление операционного усилителя очень низкое, он управляет нагрузкой, как если бы он был идеальным источником напряжения . Таким образом, оба соединения к буферу и от него являются мостовыми соединениями, которые снижают энергопотребление источника, искажения от перегрузки, перекрестные помехи и другие электромагнитные помехи .
Другие буферные усилители с единичным коэффициентом усиления включают в себя биполярный транзистор в конфигурации с общим коллектором (называемый эмиттерным повторителем , поскольку напряжение эмиттера следует за напряжением базы, или повторителем напряжения , поскольку выходное напряжение следует за входным напряжением); полевой транзистор в конфигурации с общим стоком (называемый истоковым повторителем , поскольку напряжение истока следует за напряжением затвора, или, опять же, повторителем напряжения , поскольку выходное напряжение следует за входным напряжением); или аналогичные конфигурации с использованием электронных ламп ( катодный повторитель ) или других активных устройств. Все такие усилители на самом деле имеют коэффициент усиления чуть меньше единицы (хотя потери могут быть небольшими и незначительными) и добавляют смещение постоянного тока . На этих схемах в качестве активного устройства показан только один транзистор (однако для источника тока в этих схемах также могут потребоваться транзисторы).
Используя схему слабого сигнала на рисунке 4, сопротивление, наблюдаемое при взгляде на схему, равно
(В анализе используется соотношение g m r π = ( IC /V T ) (V T /I B ) = β, которое следует из оценки этих параметров через токи смещения.) Предположим обычный случай, когда r O >> R L , импеданс с учетом буфера больше нагрузки RL без буфера в (β + 1), что существенно, поскольку β велико . Импеданс увеличивается еще больше за счет добавления r π , но часто r π << (β + 1) RL , поэтому добавление не имеет большого значения
При использовании схемы слабого сигнала на рисунке 5 импеданс, видимый при взгляде на схему, больше не равен R L , а бесконечен (на низких частотах), поскольку МОП-транзистор не потребляет ток.
По мере увеличения частоты в игру вступают паразитные емкости транзисторов, и преобразованное входное сопротивление падает с частотой.
Некоторые конфигурации однотранзисторного усилителя можно использовать в качестве буфера для изоляции драйвера от нагрузки. Для большинства цифровых приложений предпочтительной конфигурацией является повторитель напряжения NMOS (с общим стоком). [ сомнительно ] Эти усилители имеют высокое входное сопротивление, а это значит, что цифровой системе не потребуется подавать большой ток.
Нелинейный буферный усилитель иногда используется в цифровых схемах, где требуется большой ток, возможно, для управления большим количеством вентилей, чем обычное разветвление используемого семейства логических устройств, или для управления дисплеями, длинными проводами или другими сложными нагрузками. Обычно в одном корпусе содержится несколько дискретных буферных усилителей. Например, шестнадцатеричный буфер — это один пакет, содержащий 6 буферных усилителей, а восьмеричный буфер — это один пакет, содержащий 8 буферных усилителей. Термины «инвертирующий буфер» и «неинвертирующий буфер» фактически соответствуют сильноточным одновходовым вентилям ИЛИ или ИЛИ соответственно.
Большинство усилителей, используемых для управления большими массивами динамиков, например, используемых на рок-концертах, представляют собой усилители с коэффициентом усиления напряжения 26–36 дБ, способные подавать большой ток в массивы динамиков с низким импедансом, где динамики подключены параллельно.
Управляемое устройство защиты использует буфер напряжения для защиты сигнальной линии с очень высоким импедансом, окружая линию экраном, управляемым буфером с тем же напряжением, что и линия. Точное согласование напряжения буфера предотвращает утечку значительного тока из экрана в линию. линия с высоким импедансом, в то время как низкий импеданс экрана может поглощать любые блуждающие токи, которые могут повлиять на сигнальную линию.
Простые буферные усилители с единичным коэффициентом усиления включают в себя биполярный переходной транзистор в конфигурации с общей базой или полевой МОП-транзистор в конфигурации с общим затвором (называемый повторителем тока , поскольку выходной ток следует за входным током). Коэффициент усиления токового буферного усилителя равен (приблизительно) единице.
На рисунке 6 показан биполярный токовый буфер, смещенный источником тока (обозначенный I E для постоянного тока эмиттера) и управляющий другим источником постоянного тока в качестве активной нагрузки (обозначенный I C для постоянного тока коллектора). Ток входного переменного сигнала i in подается на эмиттерный узел транзистора с помощью источника переменного тока Нортона с сопротивлением Нортона R S . Выходной переменный ток i out подается буфером через большой разделительный конденсатор на нагрузку R L . Этот конденсатор связи достаточно велик, чтобы вызвать короткое замыкание на интересующих частотах.
Поскольку выходное сопротивление транзистора соединяет входную и выходную стороны схемы, существует (очень небольшая) обратная обратная связь по напряжению от выхода к входу, поэтому эта схема не является односторонней. Кроме того, по той же причине входное сопротивление зависит (незначительно) от выходного сопротивления нагрузки, а выходное сопротивление существенно зависит от входного сопротивления драйвера. Более подробно см. статью об усилителе на общей базе .
Токовый буфер принимает входной ток, который может иметь относительно небольшое сопротивление Нортона, и воспроизводит ток на выходном порту, который имеет высокое выходное сопротивление... Входное сопротивление низкое... Выходное сопротивление велико... преобразует ток источник со средним сопротивлением источника до равного тока с высоким сопротивлением источника
