Wzmacniacz buforowy
Wzmacniacz buforowy (czasami nazywany po prostu buforem ) to taki, który zapewnia transformację impedancji elektrycznej z jednego obwodu do drugiego, w celu zapobieżenia wpływowi na źródło sygnału jakichkolwiek prądów (lub napięć, w przypadku bufora prądowego), które obciążenie może narzucać. Sygnał jest „buforowany” z prądów obciążenia. Istnieją dwa główne typy buforów: bufor napięciowy i bufor prądowy .
Bufor napięcia
Wzmacniacz buforowy napięciowy jest używany do przenoszenia napięcia z pierwszego obwodu o wysokim poziomie impedancji wyjściowej do drugiego obwodu o niskim poziomie impedancji wejściowej . Wstawiony wzmacniacz buforowy zapobiega niedopuszczalnemu obciążeniu pierwszego obwodu przez drugi obwód i zakłócaniu jego pożądanej pracy, ponieważ bez bufora napięciowego na napięcie drugiego obwodu wpływa impedancja wyjściowa pierwszego obwodu (ponieważ jest ona większa niż impedancja wejściowa drugiego obwodu). W idealnym buforze napięcia na schemacie rezystancja wejściowa jest nieskończona, a rezystancja wyjściowa zerowa (impedancja wyjściowa idealnego źródła napięcia wynosi zero). Inne właściwości bufora idealnego to: doskonała liniowość niezależnie od amplitudy sygnału; i natychmiastową reakcję wyjściową, niezależnie od prędkości sygnału wejściowego.
Jeśli napięcie jest przesyłane niezmienione (wzmocnienie napięcia Av wynosi 1 ; ), wzmacniacz jest buforem wzmocnienia jedności znany również jako wtórnik napięcia , ponieważ napięcie wyjściowe podąża za napięciem wejściowym lub śledzi je. Chociaż wzmocnienie napięciowe buforowego wzmacniacza napięciowego może wynosić (w przybliżeniu) jedność, zwykle zapewnia znaczne wzmocnienie prądowe, a tym samym wzmocnienie mocy. Jednak powszechnie mówi się, że ma wzmocnienie 1 (lub odpowiednik 0 dB ), odnosząc się do wzmocnienia napięcia.
RA Jako przykład rozważmy źródło Thévenina (napięcie V A , rezystancja szeregowa ) sterujące obciążeniem rezystora R L . Ze względu na podział napięcia (określany również jako „ładowanie”) napięcie na obciążeniu wynosi tylko VAR L / ( R L + R A ) . Jeśli jednak źródło Thévenina steruje buforem o wzmocnieniu jednostkowym i , takim jak na rysunku 1 (u góry, ze wzmocnieniem jednostkowym), napięcie wejściowe do wzmacniacza wynosi VA bez podziału napięcia , ponieważ rezystancja wejściowa wzmacniacza jest nieskończona. Na wyjściu zależne źródło napięcia dostarcza do obciążenia napięcie A v V A = V A , ponownie bez podziału napięcia, ponieważ rezystancja wyjściowa bufora wynosi zero. Równoważny obwód Thévenina VA z połączonym oryginalnym źródłem Thévenina i buforem jest idealnym źródłem napięcia o zerowej rezystancji Thévenina.
Bieżący bufor
Zazwyczaj buforowy wzmacniacz prądowy jest używany do przenoszenia prądu z pierwszego obwodu o niskim poziomie impedancji wyjściowej do drugiego obwodu o wysokim poziomie impedancji wejściowej . Wstawiony wzmacniacz buforowy zapobiega niedopuszczalnemu ładowaniu prądu pierwszego obwodu przez drugi obwód i zakłócaniu jego pożądanego działania. W idealnym buforze prądowym na schemacie impedancja wyjściowa jest nieskończona (idealne źródło prądu), a impedancja wejściowa wynosi zero (zwarcie). Ponownie, inne właściwości idealnego bufora to: doskonała liniowość, niezależnie od amplitudy sygnału; i natychmiastową reakcję wyjściową, niezależnie od prędkości sygnału wejściowego.
W przypadku bufora prądowego, jeśli prąd jest przesyłany bez zmian (wzmocnienie prądu β i wynosi 1), wzmacniacz jest ponownie buforem o wzmocnieniu jedności ; tym razem znany jako wtórnik prądu , ponieważ prąd wyjściowy podąża za prądem wejściowym lub śledzi go.
RA Jako przykład rozważmy źródło Nortona (prąd I A , rezystancja równoległa ) napędzające obciążenie rezystora R L . Ze względu na podział prądu (określany również jako „ładowanie”) prąd dostarczany do obciążenia wynosi tylko I A R A / ( R L + R A ) . Jeśli jednak źródło Norton steruje buforem o wzmocnieniu jednostkowym, takim jak na rysunku 1 (na dole, ze wzmocnieniem jednostkowym), prąd wejściowy do wzmacniacza wynosi I A , bez podziału prądu , ponieważ rezystancja wejściowa wzmacniacza wynosi zero. Na wyjściu zależne źródło prądowe dostarcza do obciążenia prąd β i I A = I A , ponownie bez dzielenia prądu, ponieważ rezystancja wyjściowa bufora jest nieskończona. Równoważny obwód Nortona z połączonym oryginalnym źródłem Nortona i buforem jest idealnym źródłem prądowym I A o nieskończonej rezystancji Nortona.
Przykłady buforów napięciowych
Implementacja wzmacniacza operacyjnego
Wzmacniacz buforowy o wzmocnieniu jednostkowym można zbudować, stosując pełne szeregowe ujemne sprzężenie zwrotne (ryc. 2) do wzmacniacza operacyjnego , po prostu podłączając jego wyjście do wejścia odwracającego i podłączając źródło sygnału do wejścia nieodwracającego (ryc. 3 ). Wzmocnienie jedności oznacza tutaj wzmocnienie napięcia o jeden (tj. 0 dB), ale oczekuje się znacznego wzmocnienia prądu . W tej konfiguracji całe napięcie wyjściowe (β = 1 na rys. 2) jest podawane z powrotem na wejście odwracające. Różnica między nieodwracającym napięciem wejściowym a odwracającym napięciem wejściowym jest wzmacniana przez wzmacniacz operacyjny. To połączenie zmusza wzmacniacz operacyjny do dostosowania napięcia wyjściowego tak, aby po prostu było równe napięciu wejściowemu (V na wyjściu podąża za V , więc obwód nazywa się wtórnikiem napięcia wzmacniacza operacyjnego).
Impedancja tego obwodu nie wynika z jakiejkolwiek zmiany napięcia, ale z impedancji wejściowej i wyjściowej wzmacniacza operacyjnego. Impedancja wejściowa wzmacniacza operacyjnego jest bardzo wysoka (od 1 MΩ do 10 TΩ ), co oznacza, że wejście wzmacniacza operacyjnego nie obciąża źródła i pobiera z niego tylko minimalny prąd. Ponieważ impedancja wyjściowa wzmacniacza operacyjnego jest bardzo niska, steruje on obciążeniem tak, jakby było idealnym źródłem napięcia . Zarówno połączenia do, jak iz bufora są zatem mostkowymi , które zmniejszają zużycie energii w źródle, zniekształcenia spowodowane przeciążeniem, przesłuchy i inne zakłócenia elektromagnetyczne .
Obwody jednotranzystorowe
Inne wzmacniacze buforowe o wzmocnieniu jednostkowym obejmują bipolarny tranzystor złączowy w konfiguracji wspólnego kolektora (nazywany wtórnikiem emitera , ponieważ napięcie emitera podąża za napięciem podstawowym lub wtórnikiem napięcia , ponieważ napięcie wyjściowe podąża za napięciem wejściowym); tranzystor polowy w konfiguracji ze wspólnym drenem (nazywany wtórnikiem źródła , ponieważ napięcie źródła podąża za napięciem bramki lub ponownie wtórnikiem napięcia , ponieważ napięcie wyjściowe podąża za napięciem wejściowym); lub podobne konfiguracje wykorzystujące lampy próżniowe ( wtórnik katodowy ) lub inne aktywne urządzenia. Wszystkie takie wzmacniacze mają w rzeczywistości wzmocnienie nieco mniejsze niż jedność, ale różnica jest zwykle niewielka i nieistotna.
Transformacja impedancji za pomocą bipolarnego wtórnika napięciowego
Używając obwodu małosygnałowego na rysunku 4, impedancja widziana patrząc na obwód wynosi
(W analizie wykorzystano zależność g m r π = (I C /V T ) (V T /I B ) = β, która wynika z oceny tych parametrów pod względem prądów polaryzacji.) Zakładając zwykły przypadek, w którym r O >> R L , impedancja patrząca na bufor jest większa niż obciążenie R L bez bufora o współczynnik (β + 1), co jest istotne, ponieważ β jest duże. Impedancja jest jeszcze bardziej zwiększona przez dodanie r π , ale często r π << (β + 1) RL , więc dodanie nie robi dużej różnicy
Transformacja impedancji za pomocą wtórnika napięciowego MOSFET
Używając obwodu małosygnałowego na rysunku 5, impedancja widziana patrząc na obwód nie jest już R L , ale zamiast tego jest nieskończona (przy niskich częstotliwościach), ponieważ MOSFET nie pobiera prądu.
Wraz ze wzrostem częstotliwości do gry wchodzą pasożytnicze pojemności tranzystorów, a przekształcona impedancja wejściowa spada wraz z częstotliwością.
Wykres wzmacniaczy jednotranzystorowych
Niektóre konfiguracje wzmacniacza jednotranzystorowego mogą służyć jako bufor do odizolowania sterownika od obciążenia. W przypadku większości zastosowań cyfrowych preferowaną konfiguracją jest wtórnik napięcia NMOS (wspólny dren). [ wątpliwe ] Te wzmacniacze mają wysoką impedancję wejściową, co oznacza, że układ cyfrowy nie będzie musiał dostarczać dużego prądu.
| Typ wzmacniacza | MOSFET (NMOS) | BJT (np.) | Notatki |
|---|---|---|---|
| Wspólna brama / baza |
|
|
Zwykle używany do bieżącego buforowania |
| Wspólny odpływ/kolektor |
|
|
Wzmocnienie napięciowe jest bliskie jedności, wykorzystywane do buforowania napięcia. |
Wzmacniacze bufora logicznego
Nieliniowy wzmacniacz buforowy jest czasami używany w obwodach cyfrowych, w których wymagany jest wysoki prąd, być może do napędzania większej liczby bramek niż normalne rozgałęzienie z używanej rodziny układów logicznych lub do sterowania wyświetlaczami, długimi przewodami lub innymi trudnymi obciążeniami. Często zdarza się, że pojedynczy pakiet zawiera kilka dyskretnych wzmacniaczy buforowych. Na przykład bufor szesnastkowy to pojedynczy pakiet zawierający 6 dyskretnych wzmacniaczy buforowych [ wątpliwe ] , a bufor ósemkowy to pojedynczy pakiet zawierający 8 dyskretnych wzmacniaczy buforowych. Terminy bufor odwracający i bufor nieodwracający skutecznie odpowiadają odpowiednio wysokoprądowym jednowejściowym bramkom NOR lub OR.
Wzmacniacze z matrycą głośnikową
Większość wzmacniaczy używanych do napędzania dużych zestawów głośnikowych, takich jak te używane na koncertach rockowych, to wzmacniacze ze wzmocnieniem napięciowym 26-36dB, zdolne do dostarczania dużych ilości prądu do zestawów głośnikowych o niskiej impedancji, w których głośniki są połączone równolegle.
Napędzani strażnicy
Napędzana osłona wykorzystuje bufor napięciowy do ochrony linii sygnałowej o bardzo wysokiej impedancji, otaczając linię ekranem napędzanym przez bufor do tego samego napięcia co linia, bliskie dopasowanie napięcia bufora zapobiega wyciekowi znacznego prądu z ekranu do linii o wysokiej impedancji, podczas gdy niska impedancja ekranu może pochłaniać wszelkie prądy błądzące, które mogłyby wpływać na linię sygnału.
Bieżące przykłady buforów
Proste wzmacniacze buforowe o wzmocnieniu jednostkowym obejmują bipolarny tranzystor złączowy w konfiguracji ze wspólną bazą lub MOSFET w konfiguracji ze wspólną bramką (nazywany wtórnikiem prądu , ponieważ prąd wyjściowy podąża za prądem wejściowym). Obecne wzmocnienie prądowego wzmacniacza buforowego wynosi (w przybliżeniu) jedność.
Obwody jednotranzystorowe
Rysunek 6 przedstawia bipolarny bufor prądowy spolaryzowany źródłem prądowym (oznaczony jako DC IE dla prądu emitera DC) i napędzający inne źródło prądu stałego jako obciążenie czynne (oznaczone jako IC dla prądu kolektora ). Prąd sygnału wejściowego AC iw Norton jest doprowadzany do węzła emitera tranzystora przez źródło prądowe AC Norton o rezystancji R S . Prąd wyjściowy AC iout jest dostarczany przez bufor poprzez duży kondensator sprzęgający do obciążenia R L . Ten kondensator sprzęgający jest wystarczająco duży, aby spowodować zwarcie przy częstotliwościach będących przedmiotem zainteresowania.
Ponieważ rezystancja wyjściowa tranzystora łączy stronę wejściową i wyjściową obwodu, istnieje (bardzo małe) wsteczne sprzężenie zwrotne napięcia między wyjściem a wejściem, więc ten obwód nie jest jednostronny. Ponadto, z tego samego powodu, rezystancja wejściowa zależy (nieznacznie) od rezystancji obciążenia wyjściowego, a rezystancja wyjściowa zależy znacząco od wejściowej rezystancji sterownika. Aby uzyskać więcej informacji, zobacz artykuł na temat wspólnego wzmacniacza bazowego .
Zobacz też
- Przedwzmacniacz
- Wspólna baza
- Wspólna brama
- Zwykły kolekcjoner
- Wspólny odpływ
- Buforowany wzmacniacz różnicowy prądu
- Wzmacniacz z ujemnym sprzężeniem zwrotnym
- Napędzana tarcza
- Filtr źródła napięcia sterowany napięciem