En electrónica , un amplificador buffer es un amplificador de ganancia unitaria que copia una señal de un circuito a otro mientras transforma su impedancia eléctrica para proporcionar una fuente más ideal (con una impedancia de salida más baja para un buffer de voltaje o una impedancia de salida más alta para un buffer de corriente). ). Esto "protege" la fuente de señal en el primer circuito para que no se vea afectada por las corrientes de la carga eléctrica del segundo circuito y puede denominarse simplemente amortiguador o seguidor cuando el contexto es claro.
Se utiliza un amplificador buffer de voltaje 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 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 de entrada). impedancia del segundo circuito). En el buffer de voltaje ideal (Figura 1 arriba), la impedancia de entrada es infinita y la impedancia de salida 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 Av es 1), el amplificador es un buffer 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 un lugar común decir que tiene una ganancia de 1 (o el equivalente 0 dB ), refiriéndose a la ganancia de voltaje.
Como ejemplo, considere una fuente de Thévenin ( voltaje VA , resistencia en serie R A ) que activa una carga de resistencia R L. Debido a la división de voltaje (también conocida como "carga"), el voltaje a través de la carga es soloVAR L/RL + 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 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.
Normalmente se utiliza un amplificador buffer de corriente para transformar una señal de corriente con una impedancia de salida baja de un primer circuito en una corriente idéntica con alta impedancia para un segundo circuito. [1] El amplificador buffer 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 (Figura 1 abajo), 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 buffer de corriente, si la corriente se transfiere sin cambios (la ganancia actual β i es 1), el amplificador vuelve a ser un buffer 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 impulsa una carga de resistencia R L. Debido a la división de corriente (también conocida como "carga"), la corriente entregada a la carga es soloI A R A/RL + 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 de corriente al amplificador es IA , 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 de corriente 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.
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 de salida sigue a V de entrada , 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 .
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 al voltaje base, o 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 fuente sigue al voltaje de 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. Todos estos amplificadores en realidad tienen una ganancia ligeramente menor que la unidad (aunque la pérdida puede ser pequeña y sin importancia) y agregan una compensación de CC . Solo se muestra un transistor como dispositivo activo en estos esquemas (sin embargo, la fuente de corriente de estos circuitos también puede requerir transistores).
Usando el circuito de pequeña señal en la Figura 4, la impedancia vista mirando hacia el circuito es
(El análisis utiliza la relación g m r π = (I C /V T ) (V T /I B ) = β, que se desprende 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), lo cual es sustancial porque β es grande. La impedancia aumenta aún más al agregar r π , pero a menudo r π << (β + 1) R L , por lo que la suma no hace mucha diferencia
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 el 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.
Algunas configuraciones de amplificador de un solo transistor se pueden utilizar como amortiguador 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). [ dudoso ] Estos amplificadores tienen una alta impedancia de entrada, lo que significa que el sistema digital no necesitará suministrar una gran corriente.
A veces se utiliza un amplificador de búfer no lineal en circuitos digitales donde se requiere una corriente alta, tal vez para controlar más puertas que la distribución normal de la familia lógica utilizada, o para controlar pantallas, cables largos u otras 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 y un búfer octal es un paquete único que contiene 8 amplificadores de búfer. Los términos búfer inversor y búfer no inversor se corresponden efectivamente con puertas NOR u OR de entrada única de capacidad de alta corriente, respectivamente.
La mayoría de los amplificadores utilizados para controlar grandes conjuntos de altavoces, 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.
Una protección activada utiliza un amortiguador de voltaje para proteger una línea de señal de muy alta impedancia al rodear la línea con un blindaje impulsado por un amortiguador al mismo voltaje que la línea; la estrecha adaptación de voltaje del amortiguador evita que el blindaje filtre una corriente significativa hacia el línea de alta impedancia, mientras que la baja impedancia del blindaje puede absorber cualquier corriente parásita que pueda afectar la línea de señal.
Los amplificadores buffer de ganancia unitaria simple 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.
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 acciona otra fuente de corriente de CC como carga activa (designada I C para corriente de colector de CC). La corriente de señal de entrada de CA i in se aplica al nodo emisor del transistor mediante una fuente de corriente de CA Norton con resistencia Norton RS . 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 .
Un buffer de corriente toma la corriente de entrada que puede tener una resistencia Norton relativamente pequeña y replica la corriente en el puerto de salida, que tiene una resistencia de salida alta... La resistencia de entrada es baja... La resistencia de salida es alta... transforma una corriente fuente con resistencia de fuente media a una corriente igual con resistencia de fuente alta
