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En electrónica , un amplificador buffer es un amplificador de ganancia unitaria que copia una señal de un circuito a otro, transformando su impedancia eléctrica para proporcionar una fuente más ideal (con una impedancia de salida menor para un buffer de voltaje o mayor para un buffer de corriente ). Esto "aísla" la señal del primer circuito de las corrientes provenientes de la carga eléctrica del segundo circuito y, cuando el contexto lo permite, se le puede denominar simplemente buffer o seguidor .
Amortiguador de voltaje
Un amplificador buffer de voltaje se utiliza para transformar una señal de voltaje con alta impedancia de salida de un primer circuito en un voltaje idéntico con baja impedancia para un segundo circuito. El amplificador buffer interpuesto evita que el segundo circuito sobrecargue al primero de forma inaceptable e interfiera con su funcionamiento deseado, ya que, sin el buffer de voltaje, el voltaje del segundo circuito se ve afectado por la impedancia de salida del primero (al ser mayor que la impedancia de entrada del segundo circuito). En el buffer de voltaje ideal (Figura 1 superior), la impedancia de entrada es infinita y la de salida es cero. 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.
Si la tensión se transfiere sin cambios (la ganancia de tensión A v es 1), el amplificador es un buffer de ganancia unitaria ; también conocido como seguidor de tensión , ya que la tensión de salida sigue o sigue la tensión de entrada. Aunque la ganancia de tensión de un amplificador buffer de tensión puede ser (aproximadamente) unitaria, generalmente proporciona una ganancia de corriente considerable y, por lo tanto, una ganancia de potencia. Sin embargo, es común decir que tiene una ganancia de 1 (o el equivalente a 0 dB ), refiriéndose a la ganancia de tensión.
Como ejemplo, consideremos una fuente de Thévenin (tensión V A , resistencia en serie R A ) que alimenta una carga resistiva R L . Debido a la división de tensión (también denominada "carga"), la tensión a través de la carga es solo:
V A R L / R L + R A .
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
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
Otros amplificadores buffer de ganancia unitaria incluyen el transistor de unión bipolar en configuración de colector común (llamado seguidor de emisor porque la tensión del emisor sigue a la tensión de base, o seguidor de tensión porque la tensión de salida sigue a la tensión de entrada); el transistor de efecto de campo en configuración de drenador común (llamado seguidor de fuente porque la tensión de fuente sigue a la tensión de puerta o, de nuevo, seguidor de tensión porque la tensión de salida sigue a la tensión de entrada); o configuraciones similares que utilizan tubos de vacío ( seguidor de cátodo ), u otros dispositivos activos. Todos estos amplificadores tienen en realidad una ganancia ligeramente inferior a la unidad (aunque la pérdida puede ser pequeña e insignificante) y añaden un desplazamiento de CC . En estos esquemas solo se muestra un transistor como dispositivo activo (sin embargo, la fuente de corriente en estos circuitos también puede requerir transistores).
Transformación de impedancia mediante el seguidor de voltaje bipolar
Utilizando el circuito de pequeña señal de la Figura 4, la impedancia vista al mirar dentro del circuito es
(El análisis utiliza la relación g m r π = (I C /V T ) (V T /I B ) = β, que se deriva de la evaluación de estos parámetros en términos de las corrientes de polarización.) Suponiendo el caso habitual donde r O >> R L , la impedancia vista desde el buffer es mayor que la carga R L sin el buffer por un factor de (β + 1), lo cual es sustancial porque β es grande. La impedancia aumenta aún más con la adición de r π , pero a menudo r π << (β + 1) R L , por lo que la adición no hace mucha diferencia.
Transformación de impedancia mediante el seguidor de voltaje MOSFET
Utilizando el circuito de pequeña señal de la Figura 5, la impedancia vista al mirar dentro del circuito ya no es R L sino que es infinita (a bajas frecuencias) porque el MOSFET no consume corriente.
A medida que aumenta la frecuencia, entran en juego las capacitancias parásitas de los transistores y la impedancia de entrada transformada disminuye con la frecuencia.
Tabla de amplificadores de un solo transistor
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 conjuntos 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
La figura 6 muestra un búfer de corriente bipolar polarizado con una fuente de corriente (denominada I E para corriente continua del emisor) y que controla otra fuente de corriente continua como carga activa (denominada I C para corriente continua del colector). La corriente de entrada de CA i in se aplica al nodo emisor del transistor mediante una fuente de corriente Norton de CA con resistencia Norton R S. La corriente de salida de CA i out es suministrada por el búfer a través de un condensador de acoplamiento de gran capacidad conectado a la carga R L. Este condensador de acoplamiento es lo suficientemente grande como para comportarse como un cortocircuito a las frecuencias de interés.
Debido a que la resistencia de salida del transistor conecta las entradas y salidas del circuito, existe una retroalimentación de voltaje inversa (muy pequeña) de la salida a la entrada, por lo que este circuito no es unilateral. Además, por la misma razón, la resistencia de entrada depende (ligeramente) de la resistencia de carga de salida, y la resistencia de salida depende significativamente de la resistencia del controlador de entrada. Para más detalles, consulte el artículo sobre el amplificador de base común .
Véase también
Referencias
- ↑ "Lección 20 - Amplificadores de transistores (II) - Otras etapas de amplificación" (PDF) .
Un búfer de corriente toma la corriente de entrada, que puede tener una resistencia de Norton relativamente pequeña, y replica la corriente en el puerto de salida, que tiene una alta resistencia de salida... La resistencia de entrada es baja... La resistencia de salida es alta... transforma una fuente de corriente con resistencia de fuente media en una corriente igual con alta resistencia de fuente.
- amplificadores electrónicos
