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Buffer amplifier

Figure 1: Ideal voltage buffer (top) and current buffer (bottom) In electronics , a buffer amplifier is a unity gain amplifier that copies a signal from one circuit to another w...

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Figure 1: Ideal voltage buffer (top) and current buffer (bottom)

In electronics, a buffer amplifier is a unity gainamplifier that copies a signal from one circuit to another while transforming its electrical impedance to provide a more ideal source (with a loweroutput impedance for a voltage buffer or a higher output impedance for a current buffer). This "buffers" the signal source in the first circuit against being affected by currents from the electrical load of the second circuit and may simply be called a buffer or follower when context is clear.

Voltage buffer

A voltage buffer amplifier is used to transform a voltage signal with high output impedance from a first circuit into an identical voltage with low impedance for a second circuit. The interposed buffer amplifier prevents the second circuit from loading the first circuit unacceptably and interfering with its desired operation, since without the voltage buffer, the voltage of the second circuit is influenced by output impedance of the first circuit (as it is larger than the input impedance of the second circuit). In the ideal voltage buffer (Figure 1 top), the input impedance is infinite and the output impedance is zero. Other properties of the ideal buffer are: perfect linearity, regardless of signal amplitudes; and instant output response, regardless of the speed of the input signal.

If the voltage is transferred unchanged (the voltage gainAv is 1), the amplifier is a unity gain buffer; also known as a voltage follower because the output voltage follows or tracks the input voltage. Although the voltage gain of a voltage buffer amplifier may be (approximately) unity, it usually provides considerable current gain and thus power gain. However, it is commonplace to say that it has a gain of 1 (or the equivalent 0 dB), referring to the voltage gain.

As an example, consider a Thévenin source (voltage VA, series resistance RA) driving a resistor load RL. Because of voltage division (also referred to as "loading") the voltage across the load is only:

⁠VA RL/RL + RA⁠.

Sin embargo, si la fuente de Thévenin alimenta un búfer de ganancia unitaria como el de la Figura 1 (arriba, con ganancia unitaria), la tensión de entrada al amplificador es V A , sin división de tensión porque la resistencia de entrada del amplificador es infinita. En la salida, la fuente de tensión dependiente entrega una tensión A v V A = V A a la carga, de nuevo sin división de tensión porque la resistencia de salida del búfer es cero. Un circuito equivalente de Thévenin de la fuente de Thévenin original combinada con el búfer es una fuente de tensión ideal V A con resistencia de Thévenin cero.

Búfer actual

Normalmente, se utiliza un amplificador buffer de corriente para transformar una señal de corriente con baja impedancia de salida de un primer circuito en una señal de corriente idéntica con alta impedancia para un segundo circuito. [ 1 ] El amplificador buffer interpuesto evita que el segundo circuito sobrecargue la corriente del primer circuito de forma inaceptable e interfiera con su funcionamiento deseado. En el buffer de corriente ideal (Figura 1, abajo), la impedancia de salida es infinita (una fuente de corriente ideal) y la impedancia de entrada es cero (un cortocircuito). Además, otras propiedades del buffer ideal son: linealidad perfecta, independientemente de la amplitud de la señal; y respuesta de salida instantánea, independientemente de la velocidad de la señal de entrada.

En el caso de un amplificador de corriente, si la corriente se transfiere sin cambios (la ganancia de corriente β i es 1), el amplificador vuelve a ser un amplificador de ganancia unitaria ; en este caso se le conoce como seguidor de corriente porque la corriente de salida sigue o rastrea la corriente de entrada.

Como ejemplo, consideremos una fuente de Norton (corriente I A , resistencia en paralelo R A ) que alimenta una carga resistiva R L. Debido a la división de corriente (también denominada "carga"), la corriente entregada a la carga es solo:

⁠ I A R A / R L + R A ⁠ .

Sin embargo, si la fuente de Norton alimenta un búfer de ganancia unitaria como el de la Figura 1 (abajo, con ganancia unitaria), la entrada de corriente al amplificador es I A , sin división de corriente porque la resistencia de entrada del amplificador es cero. En la salida, la fuente de corriente dependiente entrega una corriente β i I A = I A a la carga, nuevamente sin división de corriente porque la resistencia de salida del búfer es infinita. Un circuito equivalente de Norton de la fuente de Norton original combinada con el búfer es una fuente de corriente ideal I A con resistencia de Norton infinita.

Ejemplos de búferes de voltaje

Implementación del amplificador operacional

Figura 2: Un amplificador de retroalimentación negativa
Figura 3. Amplificador buffer de ganancia unitaria basado en amplificador operacional.
Un seguidor de voltaje potenciado por un transistor ; también puede considerarse como el "transistor ideal", sin caída de voltaje en polarización directa base-emisor en la señal de entrada. Este es el circuito básico de los reguladores de voltaje lineales.

Se puede construir un amplificador buffer de ganancia unitaria aplicando una realimentación negativa en serie completa (Fig. 2) a un amplificador operacional, simplemente conectando su salida a su entrada inversora y la fuente de señal a la entrada no inversora (Fig. 3). La ganancia unitaria implica una ganancia de voltaje de uno (es decir, 0 dB), pero se espera una ganancia de corriente significativa . En esta configuración, todo el voltaje de salida (β = 1 en la Fig. 2) se realimenta a la entrada inversora. La diferencia entre el voltaje de entrada no inversora y el voltaje de entrada inversora es amplificada por el amplificador operacional. Esta conexión obliga al amplificador operacional a ajustar su voltaje de salida para que sea igual al voltaje de entrada (V salida sigue a V entrada , por lo que el circuito se denomina seguidor de voltaje con amplificador operacional).

La impedancia de este circuito no proviene de ningún cambio de voltaje, sino de las impedancias de entrada y salida del amplificador operacional. La impedancia de entrada del amplificador operacional es muy alta (de 1 MΩ a 10 TΩ ), lo que significa que la entrada del amplificador operacional no sobrecarga la fuente y consume una corriente mínima. Debido a que la impedancia de salida del amplificador operacional es muy baja, este controla la carga como si fuera una fuente de voltaje ideal . Por lo tanto, tanto las conexiones de entrada como de salida del buffer son conexiones puente , lo que reduce el consumo de energía en la fuente, la distorsión por sobrecarga, la diafonía y otras interferencias electromagnéticas .

Circuitos de transistores simples

Figure 4: Top: BJT voltage follower Bottom: Small-signal, low-frequency equivalent circuit using hybrid-pi model
Figure 5: Top: MOSFET voltage follower Bottom: Small-signal, low-frequency equivalent circuit using hybrid-pi model

Other unity gain buffer amplifiers include the bipolar junction transistor in common-collector configuration (called an emitter follower because the emitter voltage follows the base voltage, or a voltage follower because the output voltage follows the input voltage); the field effect transistor in common-drain configuration (called a source follower because the source voltage follows the gate voltage or, again, a voltage follower because the output voltage follows the input voltage); or similar configurations using vacuum tubes (cathode follower), or other active devices. All such amplifiers actually have a gain of slightly less than unity (though the loss may be small and unimportant) and add a DC offset. Only one transistor is shown as the active device in these schematics (however, the current source in these circuits may require transistors too).

Impedance transformation using the bipolar voltage follower

Using the small-signal circuit in Figure 4, the impedance seen looking into the circuit is

Rin=vxix=rπ+(β+1)(rO||RL){\displaystyle R_{\rm {in}}={\frac {v_{x}}{i_{x}}}=r_{\pi }+(\beta +1)({r_{\rm {O}}}||{R_{\rm {L}}})}

(The analysis uses the relation gmrπ = (IC /VT) (VT /IB) = β, which follows from the evaluation of these parameters in terms of the bias currents.) Assuming the usual case where rO >> RL, the impedance looking into the buffer is larger than the load RL without the buffer by a factor of (β + 1), which is substantial because β is large. The impedance is increased even more by the added rπ, but often rπ << (β + 1) RL, so the addition does not make much difference.

Impedance transformation using the MOSFET voltage follower

Using the small-signal circuit in Figure 5, the impedance seen looking into the circuit is no longer RL but instead is infinite (at low frequencies) because the MOSFET draws no current.

As frequency is increased, the parasitic capacitances of the transistors come into play and the transformed input impedance drops with frequency.

Chart of single-transistor amplifiers

Algunas configuraciones de amplificadores de un solo transistor pueden utilizarse como búfer para aislar el controlador de la carga. Para la mayoría de las aplicaciones digitales, la configuración preferida es un seguidor de voltaje NMOS (drenador común). Estos amplificadores tienen una alta impedancia de entrada, lo que significa que el sistema digital no necesitará suministrar una corriente elevada.

Amplificadores de búfer lógico

En circuitos digitales, a veces se utiliza un amplificador buffer no lineal que requiere una corriente elevada, por ejemplo, para controlar más compuertas lógicas de las que permite la familia lógica empleada, o para controlar pantallas, cables largos u otras cargas complejas. Es común que un solo encapsulado contenga varios amplificadores buffer discretos. Por ejemplo, un buffer hexadecimal es un encapsulado que contiene 6 amplificadores buffer, y un buffer octal es un encapsulado que contiene 8 amplificadores buffer. Los términos buffer inversor y buffer no inversor se corresponden, respectivamente, con compuertas NOR u OR de entrada única con alta capacidad de corriente.

amplificadores de conjunto de altavoces

La mayoría de los amplificadores utilizados para alimentar grandes conjuntos de altavoces, como los que se usan en conciertos de rock, son amplificadores con una ganancia de voltaje de 26 a 36 dB, capaces de suministrar grandes cantidades de corriente a conjuntos de altavoces de baja impedancia donde los altavoces están conectados en paralelo.

Guardias impulsados

Un sistema de protección controlado utiliza un búfer de voltaje para proteger una línea de señal de muy alta impedancia, rodeando la línea con un blindaje alimentado por un búfer al mismo voltaje que la línea. La estrecha coincidencia de voltaje del búfer evita que el blindaje deje pasar una corriente significativa a la línea de alta impedancia, mientras que la baja impedancia del blindaje puede absorber cualquier corriente parásita que pudiera afectar la línea de señal.

Ejemplos de búferes actuales

Los amplificadores buffer de ganancia unitaria simples incluyen el transistor bipolar de unión en configuración de base común o el MOSFET en configuración de puerta común (denominado seguidor de corriente porque la corriente de salida sigue a la corriente de entrada). La ganancia de corriente de un amplificador buffer de corriente es (aproximadamente) unitaria.

Circuitos de transistores simples

Figura 6: Seguidor de corriente bipolar polarizado por la fuente de corriente I E y con carga activa I C

Figure 6 shows a bipolar current buffer biased with a current source (designated IE for DC emitter current) and driving another DC current source as active load (designated IC for DC collector current). The AC input signal current iin is applied to the emitter node of the transistor by an AC Norton current source with Norton resistance RS. The AC output current iout is delivered by the buffer via a large coupling capacitor to load RL. This coupling capacitor is large enough to be a short circuit at frequencies of interest.

Because the transistor output resistance connects input and output sides of the circuit, there is a (very small) backward voltage feedback from the output to the input so this circuit is not unilateral. In addition, for the same reason, the input resistance depends (slightly) upon the output load resistance, and the output resistance depends significantly on the input driver resistance. For more detail see the article on common base amplifier.

See also

References

  1. ↑"Lecture 20 - Transistor Amplifiers (II) - Other Amplifier Stages"(PDF). A current buffer takes the input current which may have a relatively small Norton resistance and replicates the current at the output port, which has a high output resistance ... Input resistance is low ... Output resistance is high ... transform a current source with medium source resistance to an equal current with high source resistance