Введение
Электронный усилитель, компонент схемы.
В электронике буферный усилитель — это усилитель с коэффициентом усиления, равным единице, который копирует сигнал из одной схемы в другую, одновременно преобразуя его электрический импеданс для обеспечения более идеального источника (с меньшим выходным импедансом для буфера напряжения или большим выходным импедансом для буфера тока). Это позволяет "защитить" источник сигнала в первой схеме от влияния токов, потребляемых электрической нагрузкой второй схемы, и в зависимости от контекста может называться просто буфером или повторителем.
Буфер напряжения
Буферный усилитель напряжения используется для преобразования сигнала напряжения с высоким выходным импедансом из первой цепи в идентичное напряжение с низким импедансом для второй цепи. Вставленный буферный усилитель предотвращает недопустимую нагрузку второй цепи на первую и влияние на её нормальную работу, поскольку без буфера напряжения на напряжение второй цепи влияет выходной импеданс первой цепи (так как он больше входного импеданса второй цепи). В идеальном буфере напряжения (см. рисунок 1 вверху) входной импеданс бесконечен, а выходной импеданс равен нулю. Другие характеристики идеального буфера: идеальная линейность, независимо от амплитуды сигнала, и мгновенная реакция на выходной сигнал, независимо от скорости входного сигнала. Если напряжение передается без изменений (коэффициент усиления по напряжению Av равен 1), усилитель является буфером с коэффициентом усиления, равным единице; также известен как повторитель напряжения, поскольку выходное напряжение следует за входным. Хотя коэффициент усиления по напряжению буферного усилителя может быть (приблизительно) равен единице, он обычно обеспечивает значительное усиление по току и, следовательно, по мощности. Однако обычно говорят, что его коэффициент усиления равен 1 (или эквивалентно 0 дБ), имея в виду коэффициент усиления по напряжению. В качестве примера рассмотрим источник Тевенина (напряжение VA, последовательное сопротивление RA), нагружающий резистор RL. Из-за делителя напряжения (также называемого "нагрузкой") напряжение на нагрузке составляет только Однако, если источник Тевенина нагружает буфер с коэффициентом усиления, равным единице, как показано на рисунке 1 (вверху, с коэффициентом усиления, равным единице), входное напряжение усилителя равно VA, и делителя напряжения нет, поскольку входное сопротивление усилителя бесконечно. На выходе зависимый источник напряжения подает напряжение Av VA = VA на нагрузку, опять же без делителя напряжения, поскольку выходное сопротивление буфера равно нулю. Эквивалентная схема Тевенина, представляющая исходный источник Тевенина и буфер вместе, – это идеальный источник напряжения VA с нулевым сопротивлением Тевенина.
Текущий буфер
Обычно буферный усилитель тока используется для преобразования сигнала тока с низким выходным импедансом из первой цепи в идентичный ток с высоким импедансом для второй цепи. Вставленный буферный усилитель предотвращает недопустимую нагрузку второй цепи на первую цепь и, как следствие, влияние на её нормальную работу. В идеальном буфере тока (нижняя часть рисунка 1) выходной импеданс бесконечен (идеальный источник тока), а входной импеданс равен нулю (короткое замыкание). Другие свойства идеального буфера включают в себя: идеальную линейность, независимо от амплитуды сигнала; и мгновенную выходную реакцию, независимо от скорости изменения входного сигнала. Для буфера тока, если ток передается без изменений (коэффициент передачи тока βi равен 1), усилитель снова является буфером с коэффициентом усиления, равным единице; в данном случае он известен как повторитель тока, поскольку выходной ток следует за входным током. В качестве примера рассмотрим источник Нортона (ток IA, параллельное сопротивление RA), подключенный к нагрузке RL. Из-за разделения тока (также называемого "нагрузкой") ток, поступающий на нагрузку, составляет только Однако, если источник Нортона подключен к буферу с коэффициентом усиления, равным единице, как показано на рисунке 1 (внизу), входной ток усилителя равен IA, без разделения тока, поскольку входное сопротивление усилителя равно нулю. На выходе зависимый источник тока обеспечивает нагрузку током βi IA = IA, опять же без разделения тока, поскольку выходное сопротивление буфера бесконечно. Эквивалентная схема Нортона, представляющая исходный источник Нортона и буфер, является идеальным источником тока IA с бесконечным сопротивлением Нортона.
Внедрение оп-усилителя
Усилитель буфера с единичным коэффициентом усиления может быть построен путем применения полной отрицательной обратной связи (рис. 2) к операционному усилителю, просто соединив его выход с инвертирующим входом и подключив источник сигнала к неинвертирующему входу (рис. 3). Единичный коэффициент усиления здесь подразумевает коэффициент усиления напряжения, равный единице (т.е. 0 дБ), но ожидается значительное усиление тока. В данной конфигурации всё выходное напряжение (β = 1 на рис. 2) возвращается на инвертирующий вход. Разность между напряжением на неинвертирующем входе и напряжением на инвертирующем входе усиливается операционным усилителем. Это соединение вынуждает операционный усилитель регулировать выходное напряжение таким образом, чтобы оно было равно входному напряжению (Vout следует за Vin, поэтому схема называется повторителем напряжения операционного усилителя). Импеданс этой схемы определяется не изменением напряжения, а входными и выходными импедансами операционного усилителя. Входной импеданс операционного усилителя очень высок (от 1 МОм до 10 ТОм), что означает, что вход операционного усилителя не создает нагрузку на источник и потребляет от него лишь минимальный ток. Поскольку выходной импеданс операционного усилителя очень низок, он управляет нагрузкой, как идеальный источник напряжения. Как соединения к буферу, так и соединения от него являются разрывными, что снижает энергопотребление источника, искажения от перегрузки, перекрестные помехи и другие электромагнитные помехи.
Простые транзисторные схемы
Другие буферные усилители с единичным коэффициентом усиления включают в себя биполярный транзистор в схеме с общим коллектором (называемый эмиттерным повторителем, поскольку напряжение на эмиттере следует за напряжением на базе, или повторителем напряжения, поскольку выходное напряжение следует за входным напряжением); полевой транзистор в схеме с общим стоком (называемый истоковым повторителем, поскольку напряжение на истоке следует за напряжением на затворе, или, опять же, повторителем напряжения, поскольку выходное напряжение следует за входным напряжением); или аналогичные схемы с использованием вакуумных ламп (катодный повторитель) или других активных элементов. Все такие усилители фактически имеют усиление немного меньше единицы (хотя потеря может быть незначительной и несущественной) и вносят постоянную составляющую смещения. На этих схемах показан только один транзистор в качестве активного элемента (однако источник тока, необходимый для этих схем, также может содержать транзисторы).
Преобразование импеданса с использованием последователя напряжения MOSFET
Используя малую сигнальную схему на рисунке 5, импеданс, "видимый" со стороны схемы, больше не равен RL, а становится бесконечным (на низких частотах), поскольку MOSFET не потребляет ток. С увеличением частоты начинают проявляться паразитные ёмкости транзисторов, и преобразованный входной импеданс уменьшается с ростом частоты.
Диаграмма однотранзисторовых усилителей
Некоторые конфигурации однотранзисторного усилителя могут использоваться в качестве буфера для изоляции драйвера от нагрузки. Для большинства цифровых приложений предпочтительной конфигурацией является последователь напряжения на NMOS-транзисторе (с общим дренажом). Эти усилители имеют высокое входное сопротивление, что означает, что цифровой системе не потребуется обеспечивать большой ток. Тип усилителя MOSFET (NMOS) BJT (npn) Примечания Общий затвор/база Обычно используется для буферизации тока Общий дренаж/коллектор Коэффициент усиления по напряжению близок к единице, используется для буферизации напряжения.
Усилители логического буфера
Нелинейный буферный усилитель иногда используется в цифровых схемах, где требуется большой ток, например, для управления большим количеством элементов, чем обеспечивает обычный ток потребления логической семьи, или для управления дисплеями, длинными линиями связи или другими сложными нагрузками. Часто в одном корпусе содержится несколько дискретных буферных усилителей. Например, гексальный буфер – это единый корпус, содержащий 6 буферных усилителей, а октальный буфер – единый корпус, содержащий 8 буферных усилителей. Термины инвертирующий буфер и неинвертирующий буфер по сути соответствуют одновходовым логическим элементам NOR или OR с высокой токовой нагрузкой соответственно.
Усилители массива громкоговорителей
Большинство усилителей, используемых для работы с большими акустическими системами, например, на рок-концертах, имеют коэффициент усиления напряжения 26-36 дБ и способны выдавать большой ток в акустические системы с низким импедансом, где динамики соединены параллельно.
Двигательные охранники
Приводный защитник использует буфер напряжения для защиты линии сигнала с очень высоким импедансом, окружая эту линию экраном, который управляется буфером, поддерживающим такое же напряжение, как и на самой линии. Точное соответствие напряжения, обеспечиваемое буфером, предотвращает утечку значительного тока в линию с высоким импедансом, а низкий импеданс экрана поглощает любые блуждающие токи, которые могут повлиять на сигнал.
Примеры текущих буферов
Простые буферные усилители с единичным коэффициентом усиления включают в себя биполярный транзистор в схеме с общим основанием или MOSFET в схеме с общим затвором (называемый повторителем тока, поскольку выходной ток повторяет входной ток). Коэффициент усиления по току у буферного усилителя тока приблизительно равен единице.
Простые транзисторные схемы
На рисунке 6 показан биполярный буфер тока, смещенный источником тока (обозначенным IE для постоянного тока эмиттера) и нагружающий другой источник постоянного тока в качестве активной нагрузки (обозначенным IC для постоянного тока коллектора). Сигнал переменного входного тока iin подается на эмиттер транзистора через источник тока Нортона с сопротивлением Нортона RS. Выходной переменный ток iout передается буфером на нагрузку RL через большой разделительный конденсатор. Этот конденсатор достаточно велик, чтобы представлять собой короткое замыкание на интересующих частотах. Поскольку выходное сопротивление транзистора соединяет входную и выходную стороны схемы, существует (очень небольшая) обратная связь напряжения от выхода к входу, поэтому данная схема не является односторонней. Кроме того, по той же причине входное сопротивление в некоторой степени зависит от сопротивления выходной нагрузки, а выходное сопротивление значительно зависит от сопротивления входного драйвера. Более подробную информацию можно найти в статье об усилителе с общим основанием.