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 "amortigua" 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 llamarse simplemente buffer o seguidor cuando el contexto es claro.
Un amplificador buffer de tensión se utiliza para transformar una señal de tensión con alta impedancia de salida de un primer circuito en una tensión idéntica con baja impedancia para un segundo circuito. El amplificador buffer interpuesto evita que el segundo circuito cargue al primer circuito de forma inaceptable e interfiera con su funcionamiento deseado, ya que sin el buffer de tensión, la tensión del segundo circuito se ve influenciada por la impedancia de salida del primer circuito (ya que es mayor que la impedancia de entrada del segundo circuito). En el buffer de tensión ideal (Figura 1 superior), 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 A v 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 común decir que tiene una ganancia de 1 (o el equivalente a 0 dB ), refiriéndose a la ganancia de voltaje.
Como ejemplo, considere una fuente de Thévenin (voltaje V A , resistencia en serie R A ) que impulsa 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 VAR/Derecha e izquierda + Derecha e izquierda . Sin embargo, si la fuente de Thévenin activa un búfer 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 búfer es cero. Un circuito equivalente de Thévenin de la fuente de Thévenin original combinada y el búfer es una fuente de voltaje ideal V A con resistencia de Thévenin cero.
Normalmente, se utiliza un amplificador buffer de corriente para transformar una señal de corriente con una baja impedancia de salida de un primer circuito en una corriente idéntica con una 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 inferior), 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.
En el caso de un búfer de corriente, si la corriente se transfiere sin cambios (la ganancia de corriente β i es 1), el amplificador es nuevamente un búfer de ganancia unitaria ; esta vez conocido como un 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 solo Yo soy un R/Derecha e izquierda + Derecha e izquierda . Sin embargo, si la fuente Norton controla 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 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 Norton original combinada y el búfer es una fuente de corriente ideal I A con resistencia Norton infinita.
Un amplificador de ganancia unitaria se puede construir 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 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 simplemente sea igual al voltaje de entrada (V de salida sigue a V de entrada , por lo que el circuito se llama seguidor de voltaje del amplificador operacional).
La impedancia de este circuito no proviene de ningún cambio en el 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 sobrecarga 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 búfer son conexiones de puente , que reducen el consumo de energía en la fuente, la distorsión por sobrecarga, la diafonía y otras interferencias electromagnéticas .
Otros amplificadores de búfer 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 de 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 compuerta 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 un desplazamiento 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 que se ve al mirar 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 que mira hacia 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 por el r π añadido , pero a menudo r π << (β + 1) R L , por lo que la adición no hace mucha diferencia.
Usando el circuito de pequeña señal en la Figura 5, la impedancia que se ve al mirar 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, entran en juego las capacitancias parásitas de los transistores y la impedancia de entrada transformada disminuye con la frecuencia.
Algunas configuraciones de amplificadores de un solo transistor se pueden utilizar como buffer para aislar el controlador de la carga. Para la mayoría de las aplicaciones digitales, un seguidor de voltaje NMOS (drenador común) es la configuración preferida. [ dudoso – discutir ] Estos amplificadores tienen una alta impedancia de entrada, lo que significa que el sistema digital no necesitará suministrar una gran corriente.
En ocasiones, se utiliza un amplificador de búfer no lineal en circuitos digitales en los que 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 habitual que un único paquete contenga varios amplificadores de búfer discretos. Por ejemplo, un búfer hexadecimal es un único paquete que contiene 6 amplificadores de búfer, y un búfer octal es un único paquete que contiene 8 amplificadores de búfer. Los términos búfer inversor y búfer no inversor corresponden efectivamente a las puertas NOR u OR de entrada única con capacidad de alta corriente, respectivamente.
La mayoría de los amplificadores utilizados para accionar grandes conjuntos de altavoces, como los que se usan 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.
Un protector accionado utiliza un búfer de voltaje para proteger una línea de señal de impedancia muy alta al rodear la línea con un blindaje accionado por un búfer al mismo voltaje que la línea; la estrecha coincidencia de voltaje del búfer evita que el blindaje pierda corriente significativa 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.
Los amplificadores con búfer de ganancia unitaria simples incluyen el transistor de unión bipolar en configuración de base común o el MOSFET en configuración de compuerta común (llamado seguidor de corriente porque la corriente de salida sigue a la corriente de entrada). La ganancia de corriente de un amplificador con búfer de corriente 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 Norton de CA con resistencia de Norton R S . La corriente de salida de CA i out es suministrada por el buffer a través de un gran condensador de acoplamiento a la carga R L . Este condensador de acoplamiento es lo suficientemente grande como para ser un cortocircuito en las 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 (levemente) 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 de base común .
Un búfer 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 fuente de corriente con resistencia de fuente media en una corriente igual con resistencia de fuente alta
