เครื่องขยายเสียงบัฟเฟอร์

รูปที่ 1: บัฟเฟอร์แรงดันไฟฟ้าในอุดมคติ (ด้านบน) และบัฟเฟอร์ปัจจุบัน (ด้านล่าง)

ในทางอิเล็กทรอนิกส์บัฟเฟอร์แอมพลิฟายเออร์คือแอมพลิฟายเออร์เกนแบบเอกภาพ ซึ่งจะคัดลอกสัญญาณ จาก วงจรหนึ่งไปยังอีกวงจรหนึ่งในขณะที่แปลง อิมพี แดนซ์ทางไฟฟ้าเพื่อให้เป็นแหล่งในอุดมคติมากขึ้น (โดยมี อิมพีแดนซ์ เอาต์พุตต่ำกว่าสำหรับบัฟเฟอร์แรงดันไฟฟ้าหรือ อิมพี แดนซ์เอาต์พุตสูงกว่า สำหรับ บัฟเฟอร์กระแส ). "บัฟเฟอร์" นี้เป็นแหล่งสัญญาณในวงจรแรกไม่ให้ได้รับผลกระทบจากกระแสจากโหลดทางไฟฟ้าของวงจรที่สอง และอาจเรียกง่ายๆ ว่าบัฟเฟอร์หรือตัวติดตามเมื่อบริบทชัดเจน

บัฟเฟอร์แรงดันไฟฟ้า

เครื่องขยายสัญญาณบัฟเฟอร์แรงดันไฟฟ้าใช้ในการแปลงสัญญาณแรงดันไฟฟ้าที่มีอิมพีแดนซ์เอาต์พุต สูง จากวงจรแรกให้เป็นแรงดันไฟฟ้าเหมือนกันและมีอิมพีแดนซ์ต่ำสำหรับวงจรที่สอง เครื่องขยายบัฟเฟอร์แบบอินเทอร์โพสจะป้องกันไม่ให้วงจรที่สองโหลดวงจรแรกอย่างยอมรับไม่ได้ และรบกวนการทำงานที่ต้องการ เนื่องจากหากไม่มีบัฟเฟอร์แรงดันไฟฟ้า แรงดันไฟฟ้าของวงจรที่สองจึงได้รับอิทธิพลจากอิมพีแดนซ์เอาต์พุตของวงจรแรก (เนื่องจากมีขนาดใหญ่กว่าอินพุต ความต้านทานของวงจรที่สอง) ในบัฟเฟอร์แรงดันไฟฟ้าในอุดมคติ (รูปที่ 1 ด้านบน) อิมพีแดนซ์อินพุตจะไม่มีที่สิ้นสุดและอิมพีแดนซ์เอาต์พุตจะเป็นศูนย์ คุณสมบัติอื่นๆ ของบัฟเฟอร์ในอุดมคติคือ ความเป็นเส้นตรงที่สมบูรณ์แบบ โดยไม่คำนึงถึงแอมพลิจูดของสัญญาณ และการตอบสนองเอาต์พุตทันที โดยไม่คำนึงถึงความเร็วของสัญญาณอินพุต

ถ้าแรงดันไฟฟ้าถูกถ่ายโอนไม่เปลี่ยนแปลง (แรงดันไฟฟ้าเกน A vคือ 1) เครื่องขยายเสียงจะเป็นบัฟเฟอร์เกนแบบเอกภาพ ; เรียกอีกอย่างว่าตัวติดตามแรงดันไฟฟ้าเนื่องจากแรงดันเอาต์พุตตามหรือติดตามแรงดันไฟฟ้าอินพุต แม้ว่าแรงดันไฟฟ้าเกนของแอมพลิฟายเออร์บัฟเฟอร์แรงดันไฟฟ้าอาจมีความสามัคคี (โดยประมาณ) แต่มักจะให้กระแสไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นอย่างมากและทำให้ได้รับพลังงานด้วย อย่างไรก็ตาม เป็นเรื่องปกติที่จะบอกว่าได้รับค่าเกน 1 (หรือเทียบเท่า 0  dB ) ซึ่งหมายถึงแรงดันไฟฟ้าที่ได้รับ

ตามตัวอย่าง ให้พิจารณาแหล่งกำเนิด Thévenin (แรงดันไฟฟ้าV A , ความต้านทานอนุกรมR A ) ที่ขับเคลื่อนโหลดตัวต้านทานR L เนื่องจากการแบ่งแรงดันไฟฟ้า (เรียกอีกอย่างว่า "โหลด") แรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อมโหลดจึงเป็นเพียงเท่านั้นวีอา อาร์แอ/อาร์ แอ + อาร์เอ. อย่างไรก็ตาม หากแหล่งกำเนิด Thévenin ขับเคลื่อนบัฟเฟอร์เกนแบบเอกภาพดังในรูปที่ 1 (ด้านบน พร้อมเกนแบบเอกภาพ) แรงดันไฟฟ้าอินพุตที่ไปยังเครื่องขยายเสียงจะเป็นV Aและไม่มีการแบ่งแรงดันไฟฟ้าเนื่องจากความต้านทานอินพุตของเครื่องขยายเสียงไม่มีที่สิ้นสุด ที่เอาต์พุต แหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าขึ้นอยู่กับแรงดันA v V A = V Aไปยังโหลด อีกครั้งโดยไม่มีการแบ่งแรงดันไฟฟ้า เนื่องจากความต้านทานเอาต์พุตของบัฟเฟอร์เป็นศูนย์ วงจรสมมูลของ Thévenin ของแหล่งกำเนิด Thévenin ดั้งเดิมที่รวมกันและบัฟเฟอร์คือแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าV Aในอุดมคติที่มีความต้านทาน Thévenin เป็นศูนย์

บัฟเฟอร์ปัจจุบัน

โดยทั่วไปแล้ว เครื่องขยายบัฟเฟอร์กระแสจะใช้ในการแปลงสัญญาณกระแสที่มีอิมพีแดนซ์เอาต์พุต ต่ำ จากวงจรแรกให้เป็นกระแสที่เหมือนกันและมีอิมพีแดนซ์สูงสำหรับวงจรที่สอง [1]เครื่องขยายบัฟเฟอร์แบบอินเทอร์โพสจะป้องกันไม่ให้วงจรที่สองโหลดกระแสของวงจรแรกอย่างยอมรับไม่ได้ และรบกวนการทำงานที่ต้องการ ในบัฟเฟอร์กระแสในอุดมคติ (รูปที่ 1 ด้านล่าง) อิมพีแดนซ์เอาต์พุตเป็นอนันต์ (แหล่งกระแสในอุดมคติ) และอิมพีแดนซ์อินพุตเป็นศูนย์ (ลัดวงจร) อีกครั้ง คุณสมบัติอื่นๆ ของบัฟเฟอร์ในอุดมคติคือ ความเป็นเส้นตรงที่สมบูรณ์แบบ โดยไม่คำนึงถึงความกว้างของสัญญาณ และการตอบสนองเอาต์พุตทันที โดยไม่คำนึงถึงความเร็วของสัญญาณอินพุต

สำหรับบัฟเฟอร์ปัจจุบัน ถ้ากระแสถูกถ่ายโอนไม่เปลี่ยนแปลง ( อัตราขยาย ปัจจุบัน β iคือ 1) เครื่องขยายเสียงจะเป็นบัฟเฟอร์อัตราขยายแบบเอกภาพ อีก ครั้ง คราวนี้เรียกว่าผู้ติดตามปัจจุบันเนื่องจากกระแสเอาต์พุตตามหรือติดตามกระแสอินพุต

ตามตัวอย่าง ให้พิจารณาแหล่งกำเนิดของ Norton (ปัจจุบันI A , ความต้านทานแบบขนานR A ) ที่ขับเคลื่อนโหลดตัวต้านทานR L เนื่องจากการแบ่งกระแส (เรียกอีกอย่างว่า "กำลังโหลด") กระแสที่ส่งไปยังโหลดจึงเป็นเพียงเท่านั้นไออาอาร์เอ/อาร์ แอ + อาร์เอ. อย่างไรก็ตาม หากแหล่งกำเนิดของ Norton ขับเคลื่อนบัฟเฟอร์อัตราขยายแบบเอกภาพดังเช่นในรูปที่ 1 (ด้านล่าง พร้อมอัตราขยายแบบเอกภาพ) กระแสอินพุตที่ไปยังเครื่องขยายเสียงคือI Aโดยไม่มีการแบ่งกระแสเนื่องจากความต้านทานอินพุตของเครื่องขยายเสียงเป็นศูนย์ ที่เอาท์พุต แหล่งจ่ายกระแสไฟฟ้าที่ขึ้นต่อกันจะส่งกระแสβ i I A = I Aไปยังโหลด อีกครั้งโดยไม่มีการแบ่งกระแส เนื่องจากความต้านทานเอาท์พุตของบัฟเฟอร์ไม่มีที่สิ้นสุด วงจรสมมูลของ Norton ของแหล่งกำเนิด Norton ดั้งเดิมที่รวมกันและบัฟเฟอร์คือแหล่งกระแสในอุดมคติI Aพร้อมความต้านทานของ Norton ที่ไม่มีที่สิ้นสุด

ตัวอย่างบัฟเฟอร์แรงดันไฟฟ้า

การใช้งานออปแอมป์

รูปที่ 2: เครื่องขยายผลตอบรับเชิงลบ
รูปที่ 3 เครื่องขยายบัฟเฟอร์บัฟเฟอร์แบบเอกภาพที่ใช้op-amp
ตัวติดตามแรงดันที่บูสต์โดยทรานซิสเตอร์ นอกจากนี้ยังสามารถมองได้ว่าเป็น "ทรานซิสเตอร์ในอุดมคติ" โดยไม่มีแรงดันไบแอสไปข้างหน้าของตัวส่งสัญญาณฐานตกบนสัญญาณอินพุต นี่คือวงจรพื้นฐานของตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้น

เครื่องขยายบัฟเฟอร์อัตราขยายแบบเอกภาพ อาจถูกสร้างขึ้นโดยการใช้ การป้อนกลับเชิงลบแบบ อนุกรมเต็มรูปแบบ (รูปที่ 2) กับop-ampเพียงแค่เชื่อมต่อเอาต์พุตเข้ากับอินพุตแบบกลับด้าน และเชื่อมต่อแหล่งสัญญาณเข้ากับอินพุตที่ไม่กลับด้าน (รูปที่ 3) ). ความสามัคคีที่เพิ่มขึ้นในที่นี้หมายถึงแรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นหนึ่ง (เช่น 0 dB) แต่คาดว่าจะได้รับกระแสไฟฟ้า ที่มีนัยสำคัญ ในการกำหนดค่านี้ แรงดันเอาต์พุตทั้งหมด (β = 1 ในรูปที่ 2) จะถูกป้อนกลับเข้าไปในอินพุตแบบกลับด้าน ความแตกต่างระหว่างแรงดันไฟฟ้าขาเข้าที่ไม่กลับด้านและแรงดันไฟฟ้าขาเข้าแบบกลับด้านจะถูกขยายโดย op-amp การเชื่อมต่อนี้บังคับให้ op-amp ปรับแรงดันเอาต์พุตให้เท่ากับแรงดันไฟฟ้าอินพุต (V ออก ตาม หลัง V ดังนั้นวงจรจึงมีชื่อว่าตัวติดตามแรงดันไฟฟ้า op-amp)

อิมพีแดนซ์ของวงจรนี้ไม่ได้มาจากการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้า แต่มาจากอิมพีแดนซ์อินพุตและเอาต์พุตของออปแอมป์ ความต้านทานอินพุตของ op-amp สูงมาก (1 ถึง 10 ) ซึ่งหมายความว่าอินพุตของ op-amp ไม่ได้โหลดแหล่งที่มาและดึงกระแสไฟฟ้าเพียงเล็กน้อยเท่านั้น เนื่องจากอิมพีแดนซ์เอาต์พุตของ op-amp ต่ำมาก จึงขับเคลื่อนโหลดราวกับว่าเป็นแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้า ที่สมบูรณ์ แบบ ดังนั้นทั้งการเชื่อมต่อเข้าและออกจากบัฟเฟอร์จึงเป็นการเชื่อมการเชื่อมต่อ ซึ่งจะช่วยลดการใช้พลังงานในแหล่งกำเนิดการบิดเบือนจากการโอเวอร์โหลดครอสทอล์คและการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า อื่น ๆ

วงจรทรานซิสเตอร์อย่างง่าย

รูปที่ 4: ด้านบน: ตัวติดตามแรงดันไฟฟ้า BJT ด้านล่าง: วงจรสมมูลสัญญาณขนาดเล็กและความถี่ต่ำโดยใช้รุ่นไฮบริด-pi
รูปที่ 5: ด้านบน: ตัวติดตามแรงดันไฟฟ้า MOSFET ด้านล่าง: วงจรสมมูลสัญญาณขนาดเล็กและความถี่ต่ำโดยใช้รุ่นไฮบริด-pi

แอมพลิฟายเออร์บัฟเฟอร์อัตราขยายเอกภาพอื่นๆ รวมถึงทรานซิสเตอร์สองขั้วทางแยกใน การกำหนดค่า ตัวรวบรวมร่วม (เรียกว่าตัวติดตามตัวปล่อยเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าของตัวส่งสัญญาณตามแรงดันไฟฟ้าฐาน หรือตัวติดตามแรงดันไฟฟ้าเนื่องจากแรงดันเอาต์พุตตามแรงดันไฟฟ้าขาเข้า) ทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนามใน การกำหนดค่า แบบเดรนทั่วไป (เรียกว่าผู้ติดตามแหล่งที่มาเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าของแหล่งกำเนิดตามแรงดันเกตหรืออีกครั้งหนึ่งคือผู้ติดตามแรงดันไฟฟ้าเนื่องจากแรงดันเอาต์พุตตามแรงดันอินพุต) หรือการกำหนดค่าที่คล้ายกันโดยใช้หลอดสุญญากาศ ( ตัวติดตามแคโทด ) หรืออุปกรณ์ที่ใช้งานอื่น ๆ จริงๆ แล้วแอมพลิฟายเออร์ดังกล่าวทั้งหมดได้รับค่าเกนน้อยกว่าเอกภาพเล็กน้อย (แม้ว่าการสูญเสียอาจมีน้อยและไม่สำคัญก็ตาม) และเพิ่มDC offset มีเพียงทรานซิสเตอร์ตัวเดียวเท่านั้นที่แสดงเป็นอุปกรณ์ที่ใช้งานอยู่ในแผนผังเหล่านี้ (อย่างไรก็ตาม แหล่งกระแสที่วงจรเหล่านี้อาจต้องใช้ทรานซิสเตอร์ด้วย)

การแปลงอิมพีแดนซ์โดยใช้ตัวติดตามแรงดันไฟฟ้าแบบไบโพลาร์

การใช้วงจรสัญญาณขนาดเล็กในรูปที่ 4 ความต้านทานที่เห็นในวงจรคือ

(การวิเคราะห์ใช้ความสัมพันธ์g m r π = (IC / V T ) (V T /I B ) = β ซึ่งตามมาจากการประเมินพารามิเตอร์เหล่านี้ในแง่ของกระแสไบแอส) สมมติว่าเป็นกรณีปกติที่r O >> RL อิมพีแดนซ์ที่มองเข้าไปในบัฟเฟอร์มีขนาดใหญ่กว่าโหลด RLที่ไม่มีบัฟเฟอร์ด้วยปัจจัย (β + 1) ซึ่งมีนัยสำคัญเนื่องจาก β มีขนาดใหญ่ ความต้านทานจะเพิ่มขึ้นมากยิ่งขึ้นด้วยการเพิ่มr πแต่บ่อยครั้งที่r π << (β + 1) R Lดังนั้นการบวกจึงไม่สร้างความแตกต่างมากนัก

การแปลงอิมพีแดนซ์โดยใช้ตัวติดตามแรงดันไฟฟ้า MOSFET

การใช้วงจรสัญญาณขนาดเล็กในรูปที่ 5 อิมพีแดนซ์ที่เห็นเมื่อมองเข้าไปในวงจรจะไม่เป็นR L อีกต่อไป แต่จะไม่มีที่สิ้นสุด (ที่ความถี่ต่ำ) เนื่องจาก MOSFET ไม่ดึงกระแส

เมื่อความถี่เพิ่มขึ้น ความจุปรสิตของทรานซิสเตอร์จะเข้ามามีบทบาท และอิมพีแดนซ์อินพุตที่ถูกแปลงจะลดลงตามความถี่

แผนผังเครื่องขยายสัญญาณแบบทรานซิสเตอร์เดี่ยว

การกำหนดค่าบางอย่างของแอมพลิฟายเออร์แบบทรานซิสเตอร์เดี่ยวสามารถใช้เป็นบัฟเฟอร์เพื่อแยกไดรเวอร์ออกจากโหลดได้ สำหรับการใช้งานดิจิทัลส่วนใหญ่ ตัวติดตามแรงดันไฟฟ้า NMOS (ท่อระบายน้ำทั่วไป) คือการกำหนดค่าที่ต้องการ [ น่าสงสัย ] แอมพลิฟายเออร์เหล่านี้มีอิมพีแดนซ์อินพุตสูง ซึ่งหมายความว่าระบบดิจิทัลไม่จำเป็นต้องจ่ายกระแสไฟฟ้าจำนวนมาก

ประเภทเครื่องขยายเสียง มอสเฟต (NMOS) บีเจที (npn)    หมายเหตุ
ประตู / ฐาน ทั่วไป โดยทั่วไปจะใช้สำหรับการบัฟเฟอร์ปัจจุบัน
ท่อระบายน้ำ/ตัวสะสมทั่วไป แรงดันไฟฟ้าที่ได้รับใกล้เคียงกับเอกภาพ ใช้สำหรับการบัฟเฟอร์แรงดันไฟฟ้า

ตัวขยายบัฟเฟอร์ลอจิก

บางครั้งมีการใช้แอมพลิฟายเออร์บัฟเฟอร์แบบไม่เชิงเส้นในวงจรดิจิตอลที่ต้องใช้กระแสไฟฟ้าสูง บางทีสำหรับการขับเกตมากกว่าการพัดออก จากตระกูลล อจิก ปกติ ที่ใช้ หรือสำหรับจอแสดงผลการขับขี่ หรือสายไฟยาว หรือโหลดที่ยากอื่นๆ เป็นเรื่องปกติที่แพ็คเกจ เดียว จะมีแอมพลิฟายเออร์บัฟเฟอร์แยกหลายตัว ตัวอย่างเช่นบัฟเฟอร์ฐานสิบหกเป็นแพ็คเกจเดียวที่ประกอบด้วยบัฟเฟอร์แอมพลิฟายเออร์ 6 ตัว และบัฟเฟอร์ฐานแปดเป็นแพ็คเกจเดียวที่ประกอบด้วยบัฟเฟอร์แอมพลิฟายเออร์ 8 ตัว เงื่อนไขบัฟเฟอร์การกลับด้านและบัฟเฟอร์ที่ไม่กลับด้านสอดคล้องกับเกต NOR หรือ OR อินพุตเดี่ยวที่มีความสามารถกระแสสูงตามลำดับ

เครื่องขยายเสียงแบบอาร์เรย์ลำโพง

แอมพลิฟายเออร์ส่วนใหญ่ที่ใช้ในการขับเคลื่อนอาร์เรย์ลำโพงขนาดใหญ่ เช่น ที่ใช้สำหรับคอนเสิร์ตร็อค เป็นแอมพลิฟายเออร์ที่มีแรงดันไฟฟ้าที่ได้รับ 26-36dB ซึ่งสามารถส่งกระแสไฟฟ้าปริมาณสูงไปยังอาร์เรย์ลำโพงที่มีอิมพีแดนซ์ต่ำ โดยที่ลำโพงต่อสายแบบขนาน

ยามขับเคลื่อน

ตัวป้องกันแบบขับเคลื่อนใช้บัฟเฟอร์แรงดันไฟฟ้าเพื่อปกป้องสายสัญญาณอิมพีแดนซ์ที่สูงมากโดยล้อมรอบสายด้วยตัวป้องกันที่ขับเคลื่อนโดยบัฟเฟอร์ให้มีแรงดันไฟฟ้าเดียวกันกับสาย การจับคู่แรงดันไฟฟ้าที่ใกล้เคียงของบัฟเฟอร์จะป้องกันไม่ให้ตัวป้องกันรั่วไหลของกระแสไฟฟ้าที่สำคัญเข้าสู่ สายอิมพีแดนซ์สูง ในขณะที่อิมพีแดนซ์ต่ำของชีลด์สามารถดูดซับกระแสเล็ดลอดใดๆ ที่อาจส่งผลต่อสายสัญญาณได้

ตัวอย่างบัฟเฟอร์ปัจจุบัน

เครื่องขยายบัฟเฟอร์บัฟเฟอร์เอกภาพแบบธรรมดาประกอบด้วยทรานซิสเตอร์สองขั้วทางแยกใน การกำหนด ค่าฐานร่วมหรือMOSFETใน การกำหนด ค่าประตูร่วม (เรียกว่าตัวติดตามกระแสเนื่องจากกระแสเอาต์พุตตามกระแสอินพุต) อัตราขยายปัจจุบันของแอมพลิฟายเออร์บัฟเฟอร์ปัจจุบันคือ (โดยประมาณ) เอกภาพ

วงจรทรานซิสเตอร์อย่างง่าย

รูปที่ 6: ผู้ติดตามปัจจุบันแบบไบโพลาร์มีอคติโดยแหล่งกระแสI Eและมีโหลดที่ใช้งานอยู่I C

รูป ที่ 6 แสดงบัฟเฟอร์ปัจจุบันแบบไบโพลาร์ที่มีอคติกับแหล่งกำเนิดกระแส (กำหนดIEสำหรับกระแสตัวปล่อย DC) และขับเคลื่อนแหล่งกระแส DC อื่นเป็นโหลดที่ใช้งานอยู่ (กำหนดI Cสำหรับกระแสสะสม DC) สัญญาณอินพุต AC กระแสi inถูกนำไปใช้กับโหนดตัวปล่อยของทรานซิสเตอร์โดยแหล่งกระแส AC Norton ที่มีความต้านทาน ของNorton R S กระแสไฟเอาท์พุต AC iจะถูกส่งโดยบัฟเฟอร์ผ่านตัวเก็บประจุคัปปลิ้งขนาดใหญ่เพื่อโหลดR L ตัวเก็บประจุแบบคัปปลิ้งนี้มีขนาดใหญ่พอที่จะลัดวงจรที่ความถี่ที่สนใจ

เนื่องจากความต้านทานเอาต์พุตของทรานซิสเตอร์เชื่อมต่อด้านอินพุตและเอาต์พุตของวงจร จึงมีการป้อนกลับแรงดันไฟฟ้าย้อนกลับ (น้อยมาก) จากเอาต์พุตไปยังอินพุต ดังนั้นวงจรนี้จึงไม่ได้อยู่ฝ่ายเดียว นอกจากนี้ ด้วยเหตุผลเดียวกัน ความต้านทานอินพุตขึ้นอยู่กับความต้านทานโหลดเอาต์พุต (เล็กน้อย) และความต้านทานเอาต์พุตขึ้นอยู่กับความต้านทานไดรเวอร์อินพุตอย่างมาก สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติม โปรด ดูบทความเกี่ยวกับเครื่องขยายสัญญาณฐานทั่วไป

ดูสิ่งนี้ด้วย

อ้างอิง

  1. "การบรรยายที่ 20 - ทรานซิสเตอร์แอมพลิฟายเออร์ (II) - ขั้นตอนแอมพลิฟายเออร์อื่นๆ" ( PDF) บัฟเฟอร์กระแสใช้กระแสอินพุตซึ่งอาจมีความต้านทานของ Norton ค่อนข้างน้อย และจำลองกระแสที่พอร์ตเอาต์พุตซึ่งมีความต้านทานเอาต์พุตสูง ... ความต้านทานอินพุตต่ำ ... ความต้านทานเอาต์พุตสูง ... แปลงกระแส แหล่งจ่ายที่มีความต้านทานแหล่งจ่ายปานกลางถึงกระแสเท่ากันและมีความต้านทานแหล่งจ่ายสูง
แปลจาก "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Buffer_amplifier&oldid=1198625883"