Amplificador de búfer

Un amplificador buffer (a veces llamado simplemente buffer) es aquel que proporciona transformación de impedancia eléctrica de un circuito a otro, con el objetivo de evitar que la fuente de señal sea afectado por cualquier corriente (o voltaje, para un amortiguador de corriente) que la carga pueda imponer. La señal está "almacenada" desde' corrientes de carga. Existen dos tipos principales de buffer: el buffer de voltaje y el buffer de corriente.

Búfer de tensión

Un amplificador buffer de voltaje se utiliza para transferir un voltaje desde un primer circuito, que tiene un nivel de impedancia de salida alto, a un segundo circuito con un nivel de impedancia de entrada bajo. El amplificador buffer interpuesto evita que el segundo circuito cargue el primer circuito de manera inaceptable e interfiera con su funcionamiento deseado, ya que sin el buffer de voltaje el voltaje del segundo circuito está influenciado por la impedancia de salida del primer circuito (ya que es mayor que la impedancia de entrada). del segundo circuito). En el buffer de voltaje ideal en el diagrama, la resistencia de entrada es infinita y la resistencia de salida es cero (la impedancia de salida de una fuente de voltaje ideal es cero). Otras propiedades del buffer ideal son: linealidad perfecta, independientemente de las amplitudes de la señal; y respuesta de salida instantánea, independientemente de la velocidad de la señal de entrada.

Si el voltaje se transfiere sin cambios (la ganancia de voltaje A_v es 1), el amplificador es un búfer de ganancia unitaria; También conocido como seguidor de voltaje porque el voltaje de salida sigue o rastrea el voltaje de entrada. Aunque la ganancia de voltaje de un amplificador buffer de voltaje puede ser (aproximadamente) la unidad, 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 su equivalente 0 dB), refiriéndose a la ganancia de voltaje.

Como ejemplo, considere una fuente de Thévenin (tensión V_A, resistencia en serie R_A) que conduce una carga de resistencia R_L. Debido a la división de voltaje (también conocida como "carga"), el voltaje a través de la carga es solo V_A R_L / (R_L + R_A). Sin embargo, si la fuente Thévenin controla un buffer de ganancia unitaria como el de la Figura 1 (arriba, con ganancia unitaria), la entrada de voltaje al amplificador es V_A, y con sin división de voltaje porque la resistencia de entrada del amplificador es infinita. En la salida, la fuente de voltaje dependiente entrega voltaje A_v V_A = V_A a la carga, nuevamente sin división de voltaje porque la resistencia de salida del buffer es cero. Un circuito equivalente de Thévenin de la fuente Thévenin original combinada y el buffer es una fuente de voltaje ideal V_A con resistencia Thévenin cero.

Búfer actual

Por lo general, se utiliza un amplificador buffer de corriente para transferir una corriente desde un primer circuito, que tiene un nivel de impedancia de salida bajo, a un segundo circuito con un nivel de impedancia de entrada alto. El amplificador intermedio interpuesto evita que el segundo circuito cargue la corriente del primer circuito de manera inaceptable e interfiera con su funcionamiento deseado. En el buffer de corriente ideal del diagrama, la impedancia de salida es infinita (una fuente de corriente ideal) y la impedancia de entrada es cero (un cortocircuito). Nuevamente, otras propiedades del buffer ideal son: linealidad perfecta, independientemente de las amplitudes de la señal; y respuesta de salida instantánea, independientemente de la velocidad de la señal de entrada.

Para un búfer de corriente, si la corriente se transfiere sin cambios (la ganancia actual β_i es 1), el amplificador vuelve a ser un búfer de ganancia unitaria; esta vez se conoce como seguidor de corriente porque la corriente de salida sigue o rastrea la corriente de entrada.

Como ejemplo, considere una fuente Norton (corriente I_A, resistencia paralela R_A) que conduce una carga de resistencia R_L. Debido a la división actual (también conocida como "carga"), la corriente entregada a la carga es solo I_A R_A / (R _L + R_A). Sin embargo, si la fuente Norton controla un buffer de ganancia unitaria como el de la Figura 1 (abajo, con ganancia unitaria), la entrada actual al amplificador es I_A, con sin división de corriente porque la resistencia de entrada del amplificador es cero. En la salida, la fuente de corriente dependiente entrega corriente β_i I_A = I_A a la carga, nuevamente sin división actual porque la resistencia de salida del buffer es infinita. Un circuito equivalente de Norton de la fuente Norton original combinada y el buffer es una fuente de corriente ideal I_A con resistencia Norton infinita.

Ejemplos de buffer de voltaje

Implementación del amplificador operacional

Se puede construir un amplificador buffer de ganancia unitaria aplicando una retroalimentación negativa en serie completa (Fig. 2) a un amplificador operacional simplemente conectando su salida a su entrada inversora y conectando la fuente de señal a la entrada no inversora (Fig. 3). La ganancia unitaria aquí 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 devuelve a la entrada inversora. El amplificador operacional amplifica la diferencia entre el voltaje de entrada no inversor y el voltaje de entrada inversor. Esta conexión obliga al amplificador operacional a ajustar su voltaje de salida para simplemente igualar el voltaje de entrada (V_out sigue a V_in, por lo que el circuito se denomina seguidor de voltaje del 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 (1 MΩ a 10 TΩ), lo que significa que la entrada del amplificador operacional no carga la fuente y solo extrae una corriente mínima de ella. Debido a que la impedancia de salida del amplificador operacional es muy baja, impulsa la carga como si fuera una fuente de voltaje perfecta. Por lo tanto, tanto las conexiones hacia como desde el 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 un solo transistor

Otros amplificadores buffer de ganancia unitaria incluyen el transistor de unión bipolar en configuración de colector común (llamado seguidor de emisor porque el voltaje del emisor sigue el voltaje base, o un seguidor de voltaje porque el voltaje de salida sigue al voltaje de entrada); el transistor de efecto de campo en configuración de drenaje común (llamado seguidor de fuente porque el voltaje de la fuente sigue al voltaje de la puerta o, nuevamente, seguidor de voltaje porque el voltaje de salida sigue al voltaje de entrada); o configuraciones similares que utilizan tubos de vacío (seguidor de cátodo) u otros dispositivos activos. En realidad, todos estos amplificadores tienen una ganancia ligeramente menor que la unidad, pero la diferencia suele ser pequeña y sin importancia.

Transformación de impedancia mediante el seguidor de tensión bipolar

Usando el circuito de pequeña señal en la Figura 4, la impedancia vista mirando hacia el circuito es

Rin=vxix=rπ π +()β β +1)()rOSilencioSilencioRL){displaystyle R_{rm {in}={frac} {fnK} {f}}=r_{pi}+(beta +1)({r_{rm}}=r_{rm} {O}}tuvo la muerte {R_{rm {L}}}}}

(El análisis utiliza la relación g_mr_π = (I_C /V_T) (V_T /I_B) = β, que se deduce de la evaluación de estos parámetros en términos de las corrientes de polarización). Suponiendo el caso habitual donde r_O >> R_L, la impedancia mirando hacia el búfer es mayor que la carga R_L sin el búfer por un factor de (β + 1), que es sustancial porque β es grande. La impedancia aumenta aún más añadiendo r_π, pero a menudo r_π << (β + 1) R_L, por lo que la suma no hace mucha diferencia

Transformación de impedancia mediante el seguidor de tensión MOSFET

Usando el circuito de pequeña señal en la Figura 5, la impedancia que se ve mirando hacia el circuito ya no es R_L sino que es infinita (a bajas frecuencias) porque la MOSFET no consume corriente.

A medida que aumenta la frecuencia, las capacitancias parásitas de los transistores entran en juego y la impedancia de entrada transformada cae con la frecuencia.

Tabla de amplificadores de un solo transistor

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

Tipo amplificador	MOSFET (NMOS)	BJT (npn)	Notas
Puerta común/base			Típicamente utilizado para el buffering actual
Desagüe común/colector			La ganancia del voltaje está cerca de la unidad, utilizada para el amortiguador de tensión.

Amplificadores de búfer lógico

A veces se utiliza un amplificador buffer no lineal en circuitos digitales donde se requiere una corriente alta, tal vez para activar más puertas que la distribución normal de la familia lógica utilizada, o para controlar pantallas, cables largos u otros cargas difíciles. Es común que un solo paquete contenga varios amplificadores de búfer discretos. Por ejemplo, un búfer hexadecimal es un paquete único que contiene 6 amplificadores de búfer discretos y un búfer octal es un paquete único que contiene 8 amplificadores de búfer discretos. Los términos búfer inversor y búfer no inversor se corresponden efectivamente con puertas NOR u OR de entrada única de capacidad de corriente alta, respectivamente.

Amplificadores de matriz de altavoces

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

Guardias impulsados

Una protección activada utiliza un buffer de voltaje para proteger una línea de señal de muy alta impedancia al rodear la línea con un blindaje impulsado por un buffer al mismo voltaje que la línea, la estrecha adaptación de voltaje del buffer evita que el blindaje tenga fugas significativas. corriente en la línea de alta impedancia, mientras que la baja impedancia del blindaje puede absorber cualquier corriente parásita que pueda afectar la línea de señal.

Ejemplos de búfer actuales

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

Circuitos de un solo transistor

La Figura 6 muestra un buffer de corriente bipolar polarizado con una fuente de corriente (designada I_E para corriente de emisor de CC) y que impulsa otra fuente de corriente de CC como carga activa (designada I_C para corriente de colector CC). La corriente de la señal de entrada de CA i_in se aplica al nodo emisor del transistor mediante una fuente de corriente CA Norton con resistencia Norton R_S>i>. La corriente de salida de CA i_out es entregada por el buffer a través de un condensador de acoplamiento grande para cargar R_L. Este condensador de acoplamiento es lo suficientemente grande como para provocar un cortocircuito en frecuencias de interés.

Debido a que la resistencia de salida del transistor conecta los lados de entrada y salida del circuito, hay una retroalimentación de voltaje inverso (muy pequeña) desde 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 obtener más detalles, consulte el artículo sobre amplificador base común.