Bufferforsterker - Buffer amplifier

En bufferforsterker (noen ganger bare kalt en buffer ) er en som gir elektrisk impedanstransformasjon fra en krets til en annen, med sikte på å forhindre at signalkilden påvirkes av hvilke strømmer (eller spenninger, for en strømbuffer) som belastningen kan produseres med. Signalet er "bufret fra" belastningsstrømmer. To hovedtyper av buffer eksisterer: spenningsbufferen og den nåværende bufferen .

Figur 1: Topp: Ideell spenningsbuffer Bunn: Ideell strømbuffer

Spenningsbuffer

En spenningsbufferforsterker brukes til å overføre en spenning fra en første krets, som har et høyt utgangsimpedansnivå , til en andre krets med et lavt inngangsimpedansnivå . Den mellomliggende bufferforsterkeren forhindrer den andre kretsen i å laste den første kretsen uakseptabelt og forstyrre den ønskede operasjonen, siden spenningsbufferen uten spenningsbufferen påvirkes av utgangsimpedansen til den første kretsen (da den er større enn inngangsimpedansen av den andre kretsen). I den ideelle spenningsbufferen i diagrammet er inngangsmotstanden uendelig og utgangsmotstanden null (utgangsimpedansen til en ideell spenningskilde er null). Andre egenskaper til den ideelle bufferen er: perfekt linearitet, uavhengig av signalamplituder; og øyeblikkelig utgangssvar, uavhengig av hastigheten på inngangssignalet.

Hvis spenningen overføres uendret (spenningsforsterknings A v er 1), er forsterkeren en enhetsforsterkningsbuffer ; også kjent som en spenningsfølger fordi utgangsspenningen følger eller sporer inngangsspenningen. Selv om spenningsforsterkningen til en spenningsbufferforsterker kan være (omtrent) enhet, gir den vanligvis betydelig strømforsterkning og dermed kraftforsterkning. Imidlertid er det vanlig å si at den har en forsterkning på 1 (eller tilsvarende 0  dB ), med henvisning til spenningsforsterkningen.

Som et eksempel kan en Thevenin-kilde (spenning V A , serie motstand R A ) som driver en last motstand R- L . På grunn av spenningsdeling (også referert til som "belastning") er spenningen over belastningen bare V A R L / (R L + R A ) . Imidlertid, hvis Thévenin-kilden driver en enhetsforsterkningsbuffer som den i figur 1 (øverst, med enhetsforsterkning), er spenningsinngangen til forsterkeren V A , og uten spenningsdeling fordi forsterkerens inngangsmotstand er uendelig. Ved utgangen leverer den avhengige spenningskilden spenning A v V A = V A til belastningen, igjen uten spenningsdeling fordi bufferens utgangsmotstand er null. En Thévenin-ekvivalent krets for den kombinerte originale Thévenin-kilden og bufferen er en ideell spenningskilde V A uten null Thévenin-motstand.

Gjeldende buffer

Vanligvis brukes en strømbufferforsterker til å overføre en strøm fra en første krets, med et lavt utgangsimpedansnivå , til en andre krets med et høyt inngangsimpedansnivå . Den mellomliggende bufferforsterkeren forhindrer at den andre kretsen laster den første kretsens strøm uakseptabelt og forstyrrer den ønskede driften. I den ideelle strømbufferen i diagrammet er utgangsimpedansen uendelig (en ideell strømkilde) og inngangsimpedansen er null (kortslutning). Igjen er andre egenskaper til den ideelle bufferen: perfekt linearitet, uavhengig av signalamplituder; og øyeblikkelig utgangssvar, uavhengig av hastigheten til inngangssignalet.

For en aktuell buffer, hvis strømmen blir overført uforandret (gjeldende forsterkningen p i er 1), er forsterkeren igjen en enhetsforsterkningsbuffer ; denne gangen kjent som en strømfølger fordi utgangsstrømmen følger eller sporer inngangsstrømmen.

Som et eksempel kan en Norton kilde (strøm I A , parallell motstand R A ) som driver en last motstand R- L . På grunn av strømfordeling (også referert til som "lasting") er strømmen som leveres til lasten bare I A R A / (R L + R A ) . Imidlertid, hvis Norton-kilden driver en enhetsforsterkningsbuffer som den i figur 1 (nederst, med enhetsforsterkning), er strøminngangen til forsterkeren I A , uten strøminndeling fordi forsterkerens inngangsmotstand er null. Ved utgangen leverer den avhengige strømkilden strøm β i I A = I A til belastningen, igjen uten strømfordeling fordi utgangsresistansen til bufferen er uendelig. En Norton-ekvivalent krets for den kombinerte originale Norton-kilden og bufferen er en ideell strømkilde I A med uendelig Norton-motstand.

Eksempler på spenningsbuffer

Op-amp implementering

Figur 2: En negativ tilbakemeldingsforsterker
Figur 3. En op-amp- basert enhetsforsterkningsbufferforsterker
En spenningsfølger forsterket av en transistor ; kan også sees på som den "ideelle transistoren" uten et basisspenningsfall på inngangssignalet. Dette er den grunnleggende kretsen til lineære spenningsregulatorer

En enhetsforsterkningsbufferforsterker kan konstrueres ved å bruke en negativ negativ tilbakemelding (fig. 2) på en op-amp bare ved å koble utgangen til den inverterende inngangen, og koble signalkilden til den ikke-inverterende inngangen (fig. 3) ). Enhetsforsterkning innebærer her en spenningsforsterkning på en (dvs. 0 dB), men det forventes en betydelig strømforsterkning . I denne konfigurasjonen mates hele utgangsspenningen (β = 1 i figur 2) tilbake til den inverterende inngangen. Forskjellen mellom den ikke-inverterende inngangsspenningen og den inverterende inngangsspenningen forsterkes av op-amp. Denne forbindelsen tvinger op-amp til å justere utgangsspenningen rett og slett lik inngangsspenningen (V ut følger V i så kretsen blir kalt op-amp spenningsfølger).

Impedansen til denne kretsen kommer ikke fra noen endring i spenningen, men fra inngangs- og utgangsimpedansene til op-amp. Inngangsimpedansen til op-amp er veldig høy (1 til 10 ), noe som betyr at inngangen til op-amp ikke laster ned kilden og trekker bare minimal strøm fra den. Fordi utgangsimpedansen til op-amp er veldig lav, driver den belastningen som om den var en perfekt spenningskilde . Både tilkoblingene til og fra bufferen er derfor broforbindelser , som reduserer strømforbruket i kilden, forvrengning fra overbelastning, overhør og annen elektromagnetisk interferens .

Enkeltransistorkretser

Figur 4: Topp: BJT-spenningsfølger Bunn: Lite-signal, lavfrekvent ekvivalent krets ved bruk av hybrid-pi-modell
Figur 5: Topp: MOSFET spenningsfølger Bunn: Liten signal, lavfrekvent ekvivalent krets ved bruk av hybrid-pi-modell

Andre enhetsforsterkningsbufferforsterkere inkluderer den bipolare kryssstransistoren i vanlig kollektorkonfigurasjon (kalt en emitterfølger fordi emitterspenningen følger basisspenningen, eller en spenningsfølger fordi utgangsspenningen følger inngangsspenningen); den felteffekttransistor i felles-avløp konfigurasjon (som kalles en kildefølger fordi kildespenningen følger portspenningen eller, igjen, en spenningsfølger , fordi utgangsspenningen følger inngangsspenningen); eller lignende konfigurasjoner ved bruk av vakuumrør ( katodefølger ) eller andre aktive enheter. Alle slike forsterkere har faktisk en gevinst på litt mindre enn enhet, men forskjellen er vanligvis liten og uviktig.

Impedans-transformasjon ved hjelp av den bipolare spenningsfølgeren

Ved hjelp av småsignalkretsen i figur 4 er impedansen sett inn i kretsen

(Analysen bruker forholdet g m r π = (I C / V T ) (V T / I B ) = β, som følger av evalueringen av disse parametrene når det gjelder forspenningsstrømmer.) Forutsatt vanlig tilfelle der r O >> R L , impedansen ser inn i bufferen er større enn belastningen R L uten bufferen med en faktor på (β + 1), noe som er vesentlig fordi β er stor. Impedansen økes enda mer av den tilførte r π , men ofte r π << (β + 1) R L , slik at tilsetningen ikke gjør stor forskjell

Impedans-transformasjon ved hjelp av MOSFET-spenningsfølgeren

Ved hjelp av den lille-signalkretsen i figur 5, impedansen sett ser inn i kretsen ikke lenger er R- L , men i stedet er uendelig (ved lave frekvenser), fordi den MOSFET trekker ingen strøm.

Når frekvensen økes, kommer de parasittiske kapasitansene til transistorene til spill og den transformerte inngangsimpedansen synker med frekvensen.

Diagram over enkelt-transistorforsterkere

Noen konfigurasjoner av enkelt-transistorforsterker kan brukes som buffer for å isolere driveren fra belastningen. For de fleste digitale applikasjoner er en NMOS-spenningsfølger (common drain) den foretrukne konfigurasjonen. Disse forsterkerne har høy inngangsimpedans, noe som betyr at det digitale systemet ikke trenger å levere en stor strøm.

Forsterker type MOSFET (NMOS) BJT (npn)    Merknader
Felles gate / base N-kanal JFET felles gate.svg NPN felles base.svg Vanligvis brukt for nåværende buffering
Felles avløp / samler N-kanal JFET kilde follower.svg NPN emitter follower.svg Spenningsforsterkningen er nær enhet, brukt til spenningsbuffering.

Logiske bufferforsterkere

En ikke-lineær bufferforsterker brukes noen ganger i digitale kretser der det kreves høy strøm, kanskje for å kjøre flere porter enn den normale viften fra den logiske familien som brukes, eller for å kjøre skjermer, eller lange ledninger eller andre vanskelige belastninger. Det er vanlig at en enkelt pakke inneholder flere diskrete bufferforsterkere. For eksempel er en hex-buffer en enkelt pakke som inneholder 6 diskrete bufferforsterkere, og en oktal buffer er en enkelt pakke som inneholder 8 diskrete bufferforsterkere. Uttrykkene inverterende buffer og ikke-inverterende buffer samsvarer effektivt med henholdsvis en-inngangs NOR- eller ELLER-porter med høy strøm.

Forsterker for høyttalerarray

Flertallet av forsterkerne som brukes til å drive store høyttalersett, slik som de som brukes til rockekonserter, er forsterkere med 26-36 dB spenningsforsterkning som er i stand til å øke mengden strøm til høyttalerarrayer med lav impedans der høyttalerne er koblet parallelt.

Drevne vakter

En drevet vakt bruker en spenningsbuffer for å beskytte en signal med veldig høy impedans ved å omslutte linjen med et skjold drevet av en buffer til samme spenning som linjen, den tette spenningstilpasningen til bufferen forhindrer at skjoldet lekker betydelig strøm inn i høyimpedanslinje, mens skjermens lave impedans kan absorbere eventuelle strømmestrømmer som kan påvirke signalledningen.

Gjeldende buffereksempler

Enkel enhetsforsterkningsbuffer forsterkere omfatter bipolar junction transistor i felles-basiskonfigurasjon, eller den MOSFET i felles-port -konfigurasjon (som kalles en strøm følger fordi utgangsstrømmen følger inngangsstrømmen). Strømforsterkningen til en nåværende bufferforsterker er (omtrent) enhet.

Enkeltransistorkretser

Figur 6: Bipolar strømfølger forspent av strømkilden I E og med aktiv belastning I C

Figur 6 viser en bipolar strøm buffer forspent med en strømkilde (betegnet I E for like emitterstrøm) og en drivan en annen likestrømskilde som aktiv last (betegnet I C for like kollektorstrøm). AC-inngangssignalstrøm I i påtrykkes emitteren noden av transistoren fra en vekselstrøm Norton strømkilde med Norton motstand R S . AC-utgangsstrøm i ut leveres av bufferen via en stor koplingskondensator til belastningen R L . Denne koblingskondensatoren er stor nok til å være kortslutning ved frekvenser av interesse.

Fordi transistorutgangsmotstanden forbinder inngangs- og utgangssidene til kretsen, er det en (veldig liten) tilbakemelding fra bakspenningen fra utgangen til inngangen, slik at denne kretsen ikke er ensidig. I tillegg av samme grunn avhenger inngangsmotstanden (litt) av utgangsbelastningsmotstanden, og utgangsmotstanden avhenger betydelig av mottakeren for inngangsdriveren. For mer detalj, se artikkelen om vanlig baseforsterker .

Se også

Referanser