В электронике буферный усилитель — это усилитель с единичным коэффициентом усиления , который копирует сигнал из одной цепи в другую, одновременно преобразуя его электрическое сопротивление для обеспечения более идеального источника (с более низким выходным сопротивлением для буфера напряжения или более высоким выходным сопротивлением для буфера тока ). Он «буферизирует» источник сигнала в первой цепи от воздействия токов от электрической нагрузки второй цепи и может быть просто назван 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 сопротивлением для второй цепи. Вставленный буферный усилитель предотвращает недопустимую загрузку второй цепью первой цепи и помехи ее желаемой работе, поскольку без буфера напряжения напряжение второй цепи зависит от выходного сопротивления первой цепи (поскольку оно больше входного сопротивления второй цепи). В идеальном буфере напряжения (рисунок 1 вверху) входное сопротивление бесконечно, а выходное сопротивление равно нулю. Другими свойствами идеального буфера являются: идеальная линейность, независимо от амплитуд сигнала; и мгновенный выходной отклик, независимо от скорости входного сигнала.
Если напряжение передается без изменений ( коэффициент усиления напряжения A v равен 1), усилитель представляет собой буфер с единичным усилением ; также известный как повторитель напряжения , поскольку выходное напряжение следует или отслеживает входное напряжение. Хотя коэффициент усиления напряжения усилителя с буфером напряжения может быть (приблизительно) равен единице, он обычно обеспечивает значительный коэффициент усиления по току и, следовательно, коэффициент усиления по мощности. Однако принято говорить, что он имеет коэффициент усиления 1 (или эквивалент 0 дБ ), имея в виду коэффициент усиления по напряжению.
В качестве примера рассмотрим источник Тевенина (напряжение V A , последовательное сопротивление R A ), управляющий резистивной нагрузкой R L . Из-за деления напряжения (также называемого «нагрузкой») напряжение на нагрузке составляет только В А Р Л/Р Л + Р А . Однако, если источник Тевенина управляет буфером с единичным усилением, таким как на рисунке 1 (вверху, с единичным усилением), входное напряжение усилителя составляет V A , и без деления напряжения , поскольку входное сопротивление усилителя бесконечно. На выходе зависимый источник напряжения подает напряжение A v V A = V A на нагрузку, снова без деления напряжения, поскольку выходное сопротивление буфера равно нулю. Эквивалентная схема Тевенина комбинированного исходного источника Тевенина и буфера представляет собой идеальный источник напряжения V A с нулевым сопротивлением Тевенина.
Обычно токовый буферный усилитель используется для преобразования токового сигнала с низким выходным сопротивлением из первой цепи в идентичный ток с высоким сопротивлением для второй цепи. [1] Вставленный буферный усилитель предотвращает недопустимую нагрузку тока первой цепи второй цепью и помехи ее желаемой работе. В идеальном токовом буфере (рисунок 1 внизу) 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 выходной отклик, независимо от скорости входного сигнала.
Для токового буфера, если ток передается без изменений (коэффициент усиления тока βi равен 1 ) , усилитель снова является буфером с единичным коэффициентом усиления ; на этот раз он известен как повторитель тока , поскольку выходной ток следует или отслеживает входной ток.
В качестве примера рассмотрим источник Нортона (ток I A , параллельное сопротивление R A ), управляющий резистивной нагрузкой R L . Из-за деления тока (также называемого «нагрузкой») ток, подаваемый на нагрузку, составляет всего Я А Р А/Р Л + Р А . Однако, если источник Нортона управляет буфером с единичным усилением, таким как на рисунке 1 (внизу, с единичным усилением), то ток на входе усилителя равен I A , без деления тока , поскольку входное сопротивление усилителя равно нулю. На выходе зависимый источник тока подает ток β i I A = I A на нагрузку, снова без деления тока, поскольку выходное сопротивление буфера бесконечно. Эквивалентная схема Нортона комбинированного исходного источника Нортона и буфера представляет собой идеальный источник тока I A с бесконечным сопротивлением Нортона.
Буферный усилитель с единичным усилением может быть построен путем применения полной последовательной отрицательной обратной связи (рис. 2) к операционному усилителю, просто подключив его выход к его инвертирующему входу и подключив источник сигнала к неинвертирующему входу (рис. 3). Единичное усиление здесь подразумевает усиление напряжения на единицу (т. е. 0 дБ), но ожидается значительное усиление тока . 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 подстраивать 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 не возникает из-за какого-либо изменения напряжения, а из-за входного и выходного импедансов операционного усилителя. Входной импеданс операционного усилителя очень высок (от 1 МОм до 10 ТОм ), что означает, что вход операционного усилителя не нагружает источник и потребляет от него лишь минимальный ток. Поскольку выходной импеданс операционного усилителя очень низок, он управляет нагрузкой так, как если бы это был идеальный источник напряжения . Поэтому оба соединения к буферу и от него являются мостовыми соединениями, которые снижают потребление энергии в источнике, искажения от перегрузки, перекрестные помехи и другие электромагнитные помехи .
Другие буферные усилители с единичным усилением включают в себя биполярный транзистор с общим коллектором (называемый эмиттерным повторителем , потому что напряжение эмиттера следует за напряжением базы, или повторителем напряжения, потому что выходное напряжение следует за входным напряжением); полевой транзистор в конфигурации с общим стоком (называемый истоковым повторителем , потому что напряжение источника следует за напряжением затвора или, опять же, повторителем напряжения , потому что 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 усиление немного меньше единицы (хотя потери могут быть небольшими и несущественными) и добавляют смещение постоянного тока . Только один транзистор показан в качестве активного устройства на этих схемах (однако источник тока в этих схемах может потребовать также транзисторов).
Используя схему малого сигнала на рисунке 4, можно увидеть импеданс, видимый при взгляде на схему:
(В анализе используется соотношение g m r π = (I C /V T ) (V T /I B ) = β, которое следует из оценки этих параметров в терминах токов смещения.) Если предположить обычный случай, когда r O >> RL , то импеданс , обращенный к буферу, больше нагрузки RL без буфера в (β + 1) раз, что существенно, поскольку β велико. Импеданс увеличивается еще больше за счет добавленного r π , но часто r π << (β + 1) RL , поэтому добавление не имеет большого значения.
При использовании схемы малого сигнала на рисунке 5 импеданс, видимый при взгляде на схему, больше не равен R L , а равен бесконечности (на низких частотах), поскольку МОП-транзистор не потребляет ток.
При увеличении частоты вступают в действие паразитные емкости транзисторов, и преобразованное входное сопротивление падает с частотой.
Некоторые конфигурации усилителя с одним транзистором могут использоваться в качестве буфера для изоляции драйвера от нагрузки. Для большинства цифровых приложений предпочтительная конфигурация — повторитель напряжения NMOS (общий сток). [ сомнительно – обсудить ] Эти усилители имеют высокое входное сопротивление, что означает, что цифровой системе не нужно будет 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 логики, или для управления дисплеями, или длинными проводами, или другими сложными нагрузками. Обычно один корпус содержит несколько дискретных буферных усилителей. Например, шестнадцатеричный буфер представляет собой один корпус, содержащий 6 буферных усилителей, а восьмеричный буфер представляет собой один корпус, содержащий 8 буферных усилителей. Термины инвертирующий буфер и неинвертирующий буфер фактически соответствуют высокотоковым возможностям одновходовых вентилей NOR или OR соответственно.
Большинство усилителей, используемых для питания больших массивов громкоговорителей, например, тех, которые используются на рок-концертах, представляют собой усилители с коэффициентом усиления по напряжению 26–36 дБ, способные подавать большой ток в массивы громкоговорителей с низким импедансом, в которых громкоговорители подключены параллельно.
Управляемый щиток использует буфер напряжения для защиты сигнальной линии с очень высоким импедансом, окружая линию экраном, управляемым буфером с тем же напряжением, что и линия. Близкое соответствие напряжений буфера предотвращает утечку значительного тока через экран в линию 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 усилением включают в себя биполярный транзистор с общей базой или МОП-транзистор с общим затвором (называемый повторителем тока , поскольку выходной ток следует за входным током). Коэффициент усиления по току буферного усилителя тока составляет (приблизительно) единицу.
На рисунке 6 показан биполярный токовый буфер, смещенный источником тока (обозначенный как I E для постоянного тока эмиттера) и управляющий другим источником постоянного тока в качестве активной нагрузки (обозначенный как I C для постоянного тока коллектора). Входной переменный ток сигнала i in подается на эмиттерный узел транзистора источником переменного тока Нортона с сопротивлением Нортона R S . Выходной переменный ток i out подается буфером через большой конденсатор связи на нагрузку R L . Этот конденсатор связи достаточно большой, чтобы быть коротким замыканием на интересующих частотах.
Поскольку выходное сопротивление транзистора соединяет входную и выходную стороны схемы, существует (очень небольшая) обратная связь по напряжению от выхода ко входу, поэтому эта схема не является односторонней. Кроме того, по той же причине входное сопротивление зависит (немного) от выходного сопротивления нагрузки, а выходное сопротивление существенно зависит от входного сопротивления драйвера. Более подробную информацию см. в статье об усилителе с общей базой .
Токовый буфер принимает входной ток, который может иметь относительно малое сопротивление Нортона, и воспроизводит ток на выходном порту, который имеет высокое выходное сопротивление ... Входное сопротивление низкое ... Выходное сопротивление высокое ... преобразует источник тока со средним исходным сопротивлением в равный ток с высоким исходным сопротивлением
