Буферный усилитель - Buffer amplifier

А буферный усилитель (иногда просто называют буфер) тот, который обеспечивает электрический импеданс преобразование одной схемы в другую с целью предотвращения воздействия на источник сигнала любых токов (или напряжений для токового буфера), с которыми может создаваться нагрузка. Сигнал "буферизируется" от токов нагрузки. Существуют два основных типа буфера: буфер напряжения и текущий буфер.

Рисунок 1: Вверху: идеальный буфер напряжения Внизу: идеальный буфер тока

Буфер напряжения

Буферный усилитель напряжения используется для передачи напряжения от первой цепи, имеющей высокий выходное сопротивление уровень, на второй контур с низким входное сопротивление уровень. Промежуточный буферный усилитель предотвращает недопустимую загрузку второй схемы первой схемы и помехи ее желаемой работе. В идеальном буфере напряжения на диаграмме входное сопротивление бесконечно, а выходное сопротивление равно нулю (выходное сопротивление идеального источника напряжения равно нулю). Другие свойства идеального буфера: идеальная линейность, независимо от амплитуд сигнала; и мгновенный выходной отклик, независимо от скорости входного сигнала.

Если напряжение передается без изменений (напряжение прирост А_v равно 1), усилитель буфер единичного усиления; также известный как повторитель напряжения потому что выходное напряжение следует или отслеживает входное напряжение. Хотя коэффициент усиления по напряжению буферного усилителя напряжения может быть (приблизительно) единицей, он обычно обеспечивает значительное усиление по току и, следовательно, по мощности. Однако обычно говорят, что он имеет коэффициент усиления 1 (или эквивалентный 0дБ ), имея в виду коэффициент усиления по напряжению.

В качестве примера рассмотрим Источник Тевенина (Напряжение V_А, последовательное сопротивление р_А) управление нагрузкой резистора р_L. Потому что деление напряжения (также называемое «нагрузкой») напряжение на нагрузке составляет всего лишь V_А р_L / ( Р_L + R_А ). Однако, если источник Thévenin управляет буфером с единичным усилением, таким как на рисунке 1 (вверху, с единичным усилением), входное напряжение усилителя V_А, и с без деления напряжения потому что входное сопротивление усилителя бесконечно. На выходе зависимый источник напряжения выдает напряжение А_v V_А = V_А к нагрузке, опять же без деления напряжения, потому что выходное сопротивление буфера равно нулю. Эквивалентная схема Тевенина комбинированного исходного источника Тевенина и буфер - идеальный источник напряжения V_А с нулевым сопротивлением Тевенину.

Текущий буфер

Обычно буферный усилитель тока используется для передачи тока от первой цепи, имеющей низкий выходное сопротивление уровень, на второй контур с высоким входное сопротивление уровень.^[1] Промежуточный буферный усилитель предотвращает недопустимую нагрузку второй схемы током первой схемы и препятствует ее желаемой работе. В идеальном токовом буфере на диаграмме выходное сопротивление бесконечно (идеальный источник тока), а входное сопротивление равно нулю (короткое замыкание). Опять же, другие свойства идеального буфера: идеальная линейность, независимо от амплитуд сигнала; и мгновенный выходной отклик, независимо от скорости входного сигнала.

Для текущего буфера, если текущий передается без изменений (текущий прирост β_я равно 1), усилитель снова буфер единичного усиления; на этот раз известный как текущий последователь потому что выходной ток следует или отслеживает входной ток.

В качестве примера рассмотрим Источник Norton (Текущий я_А, параллельное сопротивление р_А) управление нагрузкой резистора р_L. Потому что текущее деление (также называемый «нагрузкой») ток, подаваемый на нагрузку, составляет только я_А р_А / ( Р_L + R_А ). Однако, если источник Norton управляет буфером с единичным усилением, как показано на рисунке 1 (внизу, с единичным усилением), ток на входе усилителя я_А, с нет текущего подразделения потому что входное сопротивление усилителя равно нулю. На выходе зависимый источник тока подает ток β_я я_А = Я_А к нагрузке, опять же без деления тока, потому что выходное сопротивление буфера бесконечно. Эквивалентная схема Norton объединенного исходного источника Norton и буфер - идеальный источник тока я_А с бесконечным сопротивлением Norton.

Примеры буфера напряжения

Реализация операционного усилителя

Рисунок 2: Усилитель отрицательной обратной связи

Рисунок 3. операционный усилитель - буферный усилитель на основе единичного усиления

Повторитель напряжения, усиленный транзистор; также может рассматриваться как «идеальный транзистор» без падения базового напряжения на входном сигнале. Это основная схема линейные регуляторы напряжения

А единство буферный усилитель усиления может быть построен путем применения полной серии негативный отзыв (Рис.2) к операционный усилитель просто подключив его выход к инвертирующему входу и подключив источник сигнала к неинвертирующему входу (рис. 3). Прирост единства здесь подразумевается усиление напряжения одного (т.е. 0 дБ), но значительный текущий прирост ожидается. В этой конфигурации все выходное напряжение (β = 1 на рис. 2) возвращается на инвертирующий вход. Разница между неинвертирующим входным напряжением и инвертирующим входным напряжением усиливается операционным усилителем. Это соединение заставляет операционный усилитель регулировать свое выходное напряжение, просто равное входному напряжению (В_из следует за V_в поэтому схема называется повторителем напряжения операционного усилителя).

Импеданс этой схемы зависит не от изменения напряжения, а от входного и выходного сопротивлений операционного усилителя. Входное сопротивление операционного усилителя очень высокое (1 МОм до 10 ТОм ), что означает, что вход операционного усилителя не загружает источник и потребляет от него только минимальный ток. Поскольку выходное сопротивление операционного усилителя очень низкое, он управляет нагрузкой, как если бы он был идеальным. источник напряжения. Таким образом, оба соединения с буфером и от него мосты подключения, снижающие энергопотребление в источнике, искажение от перегрузки, перекрестные помехи и другие электромагнитная интерференция.

Однотранзисторные схемы

Рисунок 4: Вверху: повторитель напряжения BJT Внизу: малосигнальный, низкочастотный эквивалентная схема с помощью гибридная пи модель

Рисунок 5: Вверху: повторитель напряжения на полевом МОП-транзисторе Внизу: малосигнальный, низкочастотный эквивалентная схема с помощью гибридная пи модель

Другие буферные усилители с единичным усилением включают биполярный переходной транзистор в коллекционер конфигурация (называемая эмиттер-повторитель потому что напряжение эмиттера следует за базовым напряжением, или повторитель напряжения потому что выходное напряжение следует за входным); то полевой транзистор в общий сток конфигурация (называемая последователь источника потому что напряжение источника следует за напряжением затвора или, опять же, повторитель напряжения потому что выходное напряжение следует за входным); или аналогичные конфигурации с использованием вакуумные трубки (катодный повторитель ) или другие активные устройства. Фактически все такие усилители имеют коэффициент усиления чуть меньше единицы, но разница обычно небольшая и несущественная.

Преобразование импеданса с помощью биполярного повторителя напряжения

Используя схему слабого сигнала на рисунке 4, полное сопротивление, видимое при взгляде на схему, составляет

${\displaystyle R_{\rm {in}}={\frac {v_{x}}{i_{x}}}=r_{\pi }+(\beta +1)({r_{\rm {O}}}||{R_{\rm {L}}})}$

(В анализе используется соотношение грамм_мр_π = (I_C / V_Т) (V_Т /Я_B) = β, что следует из оценки этих параметров через токи смещения.) Предполагая обычный случай, когда р_О >> р_L, импеданс, смотрящий в буфер, больше, чем нагрузка р_L без буфера в (β + 1) раз, что существенно, поскольку β велико. Импеданс еще больше увеличивается за счет добавленной р_π, но часто р_π << (β + 1) R_L, поэтому добавление не имеет большого значения

Преобразование импеданса с использованием повторителя напряжения MOSFET

Используя схему слабого сигнала на рисунке 5, полное сопротивление, видимое при взгляде на схему, больше не р_L но вместо этого бесконечно (на низких частотах), потому что МОП-транзистор не потребляет ток.

При увеличении частоты в игру вступают паразитные емкости транзисторов, и преобразованный входной импеданс падает с частотой.

Схема однотранзисторных усилителей

Некоторые конфигурации однотранзисторного усилителя можно использовать в качестве буфера для изоляции драйвера от нагрузки. Для большинства цифровых приложений предпочтительной конфигурацией является повторитель напряжения NMOS (общий сток).^{[сомнительный ]} Эти усилители имеют высокое входное сопротивление, что означает, что цифровая система не нуждается в подаче большого тока.

Тип усилителя	МОП-транзистор (NMOS)	BJT (npn)	Примечания
Общие ворота /основание			Обычно используется для текущей буферизации
Общий сток / коллектор			Коэффициент усиления по напряжению близок к единице, используется для буферизации напряжения.

Логические буферные усилители

Нелинейный буферный усилитель иногда используется в цифровых схемах, где требуется большой ток, возможно, для управления большим количеством вентилей, чем обычно. разветвление используемой логики, или для управления дисплеями, или длинными проводами, или другими сложными нагрузками. Это обычное дело для сингла упаковка содержать несколько дискретных буферных усилителей. Например, шестнадцатеричный буфер представляет собой единый корпус, содержащий 6 дискретных буферных усилителей^{[сомнительный ]}, и восьмеричный буфер представляет собой единый корпус, содержащий 8 дискретных буферных усилителей. Условия инвертирующий буфер и неинвертирующий буфер эффективно соответствуют сильноточной способности одиночного входа вентилей ИЛИ или ИЛИ соответственно.

Усилители массива громкоговорителей

Большинство усилителей, используемых для управления большими массивами громкоговорителей, например, используемых для рок-концертов, представляют собой усилители с усилением по напряжению 26–36 дБ, способные пропускать большой ток в массивы громкоговорителей с низким импедансом, где громкоговорители подключены параллельно.

Управляемая охрана

А ведомый охранник использует буфер напряжения для защиты сигнальной линии с очень высоким импедансом, окружая линию экраном, управляемым буфером до того же напряжения, что и линия, точное согласование напряжения буфера предотвращает утечку значительного тока экрана в линию с высоким импедансом в то время как низкий импеданс экрана может поглощать любые паразитные токи, которые могут повлиять на сигнальную линию.

Текущие примеры буферов

Простые буферные усилители с единичным усилением включают биполярный переходной транзистор в общая база конфигурация, или МОП-транзистор в общие ворота конфигурация (называемая текущий последователь потому что выходной ток следует за входным). Коэффициент усиления по току буферного усилителя тока равен (приблизительно) единице.

Однотранзисторные схемы

Рисунок 6: Биполярный повторитель тока, смещенный источником тока я_E и с активной нагрузкой я_C

На рисунке 6 показан биполярный буфер тока, подключенный к источнику тока (обозначенному я_E для постоянного тока эмиттера) и управления другим источником постоянного тока в качестве активной нагрузки (обозначенной я_C для постоянного тока коллектора). Ток входного сигнала переменного тока я_в подается на эмиттерный узел транзистора через переменный ток Источник тока Norton с сопротивлением Norton р_S. Выходной ток переменного тока я_из подается буфером через большой конденсатор связи на нагрузку р_L. Этот конденсатор связи достаточно большой для короткого замыкания на интересующих частотах.

Поскольку выходное сопротивление транзистора соединяет входную и выходную стороны схемы, существует (очень маленькая) обратная обратная связь по напряжению с выхода на вход, поэтому эта схема не является односторонней. Кроме того, по той же причине входное сопротивление зависит (немного) от сопротивления выходной нагрузки, а выходное сопротивление существенно зависит от сопротивления входного драйвера. Подробнее см. Статью о усилитель с общей базой.

Смотрите также

• Предусилитель
• Общая база
• Общие ворота
• Общий коллектор
• Общий сток
• Токовый дифференциальный буферный усилитель
• Усилитель отрицательной обратной связи
• Управляемый щит
• Фильтр источника контролируемого напряжения

Рекомендации

1. «Лекция 20 - Транзисторные усилители (II) - Другие каскады усилителей» (PDF). Токовый буфер принимает входной ток, который может иметь относительно небольшое сопротивление Norton, и воспроизводит ток на выходном порту, который имеет высокое выходное сопротивление ... Входное сопротивление низкое ... Выходное сопротивление высокое ... преобразование тока источник со средним сопротивлением источника равному току с высоким сопротивлением источника