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電子工学において、バッファ アンプは、ある回路 から別の回路に信号をコピーすると同時に、その電気インピーダンスを変換して、より理想的なソース (電圧バッファの場合は出力インピーダンスが低く、電流バッファの場合は出力インピーダンスが高い) を提供するユニティ ゲイン アンプです。これにより、最初の回路の信号ソースが、2 番目の回路の電気負荷からの電流の影響を受けないように「バッファリング」され、文脈が明確な場合は 単にバッファまたはフォロワーと呼ばれることもあります。
電圧バッファ
電圧バッファ アンプは、第 1 回路からの高出力インピーダンスの電圧信号を、第 2 回路用の低インピーダンスの同一電圧に変換するために使用されます。 介在するバッファ アンプは、第 2 回路が第 1 回路に許容できない負荷をかけ、その目的の動作を妨げることを防ぎます。これは、電圧バッファがないと、第 2 回路の電圧が第 1 回路の出力インピーダンスの影響を受けるためです (第 1 回路の出力インピーダンスは第 2 回路の入力インピーダンスより大きいため)。 理想的な電圧バッファ (図 1 上部) では、入力インピーダンスは無限大で、出力インピーダンスはゼロです。 理想的なバッファのその他の特性は、信号振幅に関係なく完全な直線性があり、入力信号の速度に関係なく瞬時に出力応答することです。
電圧がそのまま転送される場合（電圧ゲイン A vが 1）、アンプはユニティ ゲイン バッファです。出力電圧が入力電圧に追従または追跡するため、電圧フォロワとも呼ばれます。電圧バッファ アンプの電圧ゲインは（ほぼ）ユニティですが、通常はかなりの電流ゲイン、つまり電力ゲインが得られます。ただし、電圧ゲインを指して ゲインが 1（または同等の 0 dB ）であるとよく言われます 。
例として、抵抗負荷R L を駆動するテブナン電源(電圧V A、直列抵抗R A ) を考えてみましょう。電圧分割(「負荷」とも呼ばれる)により、負荷にかかる電圧はヴァール/RL + RA。ただし、テブナン信号源が図 1 (上、ユニティ ゲイン) のようなユニティ ゲイン バッファを駆動する場合、アンプへの電圧入力はV Aであり、アンプの入力抵抗が無限大であるため、電圧分割は行われません。出力では、従属電圧源が負荷に電圧A v V A = V Aを供給しますが、バッファの出力抵抗がゼロであるため、やはり電圧分割は行われません。元のテブナン信号源とバッファを組み合わせたテブナン等価回路は、テブナン抵抗がゼロの理想的な電圧源V Aです。
現在のバッファ
通常、電流バッファアンプは、第 1 回路からの低出力インピーダンスの電流信号を、第 2 回路用の高インピーダンスの同一電流に変換するために使用されます。 [1]介在するバッファアンプは、第 2 回路が第 1 回路の電流に許容できない負荷をかけ、目的の動作を妨げることを防ぎます。理想的な電流バッファ (図 1 下部) では、出力インピーダンスは無限大 (理想的な電流源) で、入力インピーダンスはゼロ (短絡) です。ここでも、理想的なバッファのその他の特性は、信号振幅に関係なく完全な直線性があり、入力信号の速度に関係なく瞬時に出力応答することです。
電流バッファの場合、電流がそのまま転送される場合（電流ゲイン β iが 1）、アンプは再びユニティ ゲイン バッファになります。この場合、出力電流が入力電流 に追従または追跡するため、電流フォロワと呼ばれます。
例として、抵抗負荷R L を駆動するノートンソース(電流I A、並列抵抗R A ) を考えてみましょう。電流分割(「負荷」とも呼ばれる)により、負荷に供給される電流は私は/RL + RA。ただし、ノートンソースが図 1 (下、ユニティゲイン) のようなユニティゲインバッファを駆動する場合、アンプへの電流入力はI Aであり、アンプの入力抵抗がゼロであるため電流分割はありません。出力では、従属電流源が負荷に電流β i I A = I Aを供給しますが、バッファの出力抵抗が無限大であるため、やはり電流分割はありません。元のノートンソースとバッファを組み合わせたノートン等価回路は、無限大のノートン抵抗を持つ理想的な電流源I Aです。
電圧バッファの例
オペアンプの実装
ユニティゲインバッファ アンプは、オペアンプの出力を反転入力に接続し、信号源を非反転入力に接続するだけで (図 3)、オペアンプに完全な直列負帰還(図 2)を適用して構成できます。ここでのユニティ ゲインは電圧ゲインが 1 (つまり 0 dB) であることを意味しますが、かなりの電流ゲインが期待されます。この構成では、出力電圧全体 (図 2 の β = 1) が反転入力にフィードバックされます。非反転入力電圧と反転入力電圧の差は、オペアンプによって増幅されます。この接続により、オペアンプは出力電圧を単純に入力電圧と等しくなるように調整します (V out はV in に従うため、この回路はオペアンプ電圧フォロワと呼ばれます)。
この回路のインピーダンスは電圧の変化からではなく、オペアンプの入力インピーダンスと出力インピーダンスから生じます。オペアンプの入力インピーダンスは非常に高い (1 MΩ～ 10 TΩ ) ため、オペアンプの入力はソースに負荷をかけず、最小限の電流しか引き出せません。オペアンプの出力インピーダンスは非常に低いため、オペアンプは完全な電圧源であるかのように負荷を駆動します。したがって、バッファへの接続とバッファからの接続は両方ともブリッジ接続であり、ソースの電力消費、過負荷による歪み、クロストーク、その他の電磁干渉が低減されます。
単純なトランジスタ回路
その他のユニティゲインバッファアンプには、共通コレクタ構成のバイポーラ接合トランジスタ（エミッタ電圧がベース電圧に追従するためエミッタフォロワ、または出力電圧が入力電圧に追従するため電圧フォロワと呼ばれる）、共通ドレイン構成の電界効果トランジスタ（ソース電圧がゲート電圧に追従するためソースフォロワ、または出力電圧が入力電圧に追従するためやはり電圧フォロワと呼ばれる）、または真空管（カソードフォロワ）やその他のアクティブデバイスを使用した同様の構成があります。このようなアンプはすべて、実際にはゲインがユニティよりわずかに小さく（損失は小さく重要でない場合があります）、DCオフセットを追加します。これらの回路図では、アクティブデバイスとしてトランジスタが1つだけ示されています（ただし、これらの回路の電流源にもトランジスタが必要になる場合があります）。
バイポーラ電圧フォロワを使用したインピーダンス変換
図4の小信号回路を使用すると、回路内部で見られるインピーダンスは
（解析では、バイアス電流の観点からこれらのパラメータを評価することから得られる関係g m r π = (I C /V T ) (V T /I B ) = β を使用します。）通常の場合、 r O >> R Lと仮定すると、バッファを見たインピーダンスは、バッファなしの負荷 R Lよりも (β + 1) 倍大きくなります。β が大きいため、これはかなり大きくなります。インピーダンスは追加されたr πによってさらに増加しますが、多くの場合、r π << (β + 1) R Lであるため、追加しても大きな違いはありません 。
MOSFET電圧フォロワを使用したインピーダンス変換
図 5 の小信号回路を使用すると、回路内から見たインピーダンスはR Lではなく、MOSFET が電流を消費しないため、無限大 (低周波数) になります。
周波数が高くなると、トランジスタの寄生容量が影響し、変換された入力インピーダンスは周波数とともに低下します。
シングルトランジスタアンプのチャート
単一トランジスタ アンプの一部の構成は、ドライバを負荷から分離するためのバッファとして使用できます。ほとんどのデジタル アプリケーションでは、NMOS 電圧フォロワ (共通ドレイン) が推奨される構成です。[疑わしい–議論] これらのアンプは入力インピーダンスが高いため、デジタル システムは大きな電流を供給する必要がありません。
ロジックバッファアンプ
非線形バッファ アンプは、高電流が必要なデジタル回路で使用されることがあります。これは、使用されるロジック ファミリの通常のファンアウトよりも多くのゲートを駆動するため、またはディスプレイ、長い配線、またはその他の困難な負荷を駆動するためなどです。 1 つのパッケージに複数の個別のバッファ アンプが含まれているのが一般的です。 たとえば、16 進バッファは6 つのバッファ アンプを含む 1 つのパッケージであり、8進バッファは 8 つのバッファ アンプを含む 1 つのパッケージです。反転バッファと非反転バッファという用語は、それぞれ高電流能力の単一入力 NOR ゲートまたは OR ゲートに実質的に対応します。
スピーカーアレイアンプ
ロックコンサートなどで使用される大型スピーカーアレイを駆動するために使用されるアンプの大部分は、スピーカーが並列に配線された低インピーダンスのスピーカーアレイに大量の電流を流すことができる 26 ～ 36 dB の電圧ゲインを備えたアンプです。
ドライブガード
駆動ガードは、電圧バッファを使用して、ラインと同じ電圧にバッファによって駆動されるシールドでラインを囲むことにより、非常に高いインピーダンスの信号ラインを保護します。バッファの電圧整合が近いため、シールドから高インピーダンス ラインに大量の電流が漏れるのを防ぎ、シールドの低インピーダンスにより、信号ラインに影響を及ぼす可能性のある漂遊電流を吸収できます。
現在のバッファの例
シンプルなユニティ ゲイン バッファ アンプには、共通ベース構成のバイポーラ接合トランジスタ、または共通ゲート構成のMOSFET (出力電流が入力電流に追従するため、電流フォロワと呼ばれます) が含まれます。電流バッファ アンプの電流ゲインは (ほぼ) ユニティです。
単純なトランジスタ回路
図 6 は、電流源 ( DC エミッタ電流はI Eで指定) でバイアスされ、別の DC 電流源 (DC コレクタ電流はI Cで指定) をアクティブ負荷として駆動するバイポーラ電流バッファを示しています。AC 入力信号電流i in は、ノートン抵抗R Sを持つ ACノートン電流源によってトランジスタのエミッタ ノードに適用されます。AC 出力電流i out は、バッファによって大きな結合コンデンサを介して負荷R Lに供給されます。この結合コンデンサは、対象周波数で短絡するのに十分な大きさです。
トランジスタ出力抵抗は回路の入力側と出力側を接続するため、出力から入力への（非常に小さい）逆電圧フィードバックがあり、この回路は一方的ではありません。さらに、同じ理由で、入力抵抗は出力負荷抵抗に（わずかに）依存し、出力抵抗は入力ドライバ抵抗に大きく依存します。詳細については、共通ベース増幅器に関する記事を参照してください。
参照
参考文献
- ^ 「講義 20 - トランジスタ アンプ (II) - その他のアンプ段」(PDF)。
電流バッファは、比較的小さなノートン抵抗を持つ入力電流を受け取り、出力ポートで電流を複製します。出力ポートは高い出力抵抗を持ちます...入力抵抗は低いです...出力抵抗は高いです...中程度のソース抵抗を持つ電流源を、高いソース抵抗を持つ同等の電流に変換します。