Loading article…
電子工学において、バッファアンプとは、ある回路から別の回路へ信号をコピーする際に、その電気インピーダンスを変換してより理想的な信号源（電圧バッファの場合は出力インピーダンスを低く、電流バッファの場合は出力インピーダンスを高くする）を提供するユニティゲインアンプです。これにより、最初の回路の信号源が、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「緩衝」され、文脈が明確な場合は単にバッファまたはフォロワと呼ばれることもあります。
電圧バッファアンプは、第１回路からの出力インピーダンスが高い電圧信号を、第２回路への出力インピーダンスが低い同一の電圧信号に変換するために使用されます。バッファアンプを介在させることで、第２回路が第１回路に過大な負荷をかけ、その動作を妨げることを防ぎます。電圧バッファがない場合、第２回路の電圧は第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２回路の入力インピーダンスよりも大きいため）。理想的な電圧バッファ（図１上）では、入力インピーダンスは無限大、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としては、信号振幅に関係なく完全な直線性、および入力信号の速度に関係なく瞬時の出力応答が挙げられます。
電圧がそのまま伝送される場合（電圧利得A vが 1 の場合）、アンプはユニティゲインバッファとなります。出力電圧が入力電圧に追従するため、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利得は（ほぼ）1ですが、通常はかなりの電流利得、ひいては電力利得が得られます。ただし、電圧利得を指して、利得が 1（または 0 dB相当）であると言うのが一般的です。
例として、テブナン電源（電圧V A、直列抵抗R A）が抵抗負荷R Lを駆動する場合を考えます。電圧分割（「負荷」とも呼ばれます）のため、負荷にかかる電圧は次のようになります。
V A R L / R L + R A 。
しかし、テブナン電源が図1（上図、利得1）のような利得1のバッファを駆動する場合、アンプへの入力電圧はVAとなり、アンプの入力抵抗は無限大であるため、電圧分割は発生しません。出力では、従属電圧源が負荷に電圧AvVA = VAを供給しますが、バッファの出力抵抗はゼロであるため、ここでも電圧分割は発生しません。元のテブナン電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VAとなります。
一般的に、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 ]バッファアンプを介在させることで、第２回路が第１回路の電流を許容できないほど負荷し、その目的の動作を妨害することを防ぎます。理想的な電流バッファ（図１下）では、出力インピーダンスは無限大（理想的な電流源）であり、入力インピーダンスはゼロ（短絡）です。また、理想的なバッファのその他の特性としては、信号振幅に関係なく完全な線形性、および入力信号の速度に関係なく瞬時の出力応答が挙げられます。
電流バッファの場合、電流が変化しずに伝送される場合（電流ゲインβiが1の場合）、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するため、電流フォロワと呼ばれます。
例として、ノートン電源（電流I A、並列抵抗R A）が抵抗負荷R Lを駆動する場合を考えてみましょう。電流分割（「負荷」とも呼ばれます）のため、負荷に供給される電流は次のようになります。
I A R A / R L + R A 。
しかし、ノートンソースが図1（下図、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、アンプへの入力電流はI Aとなり、アンプの入力抵抗はゼロであるため電流分割は発生しません。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は無限大であるため、ここでも電流分割は発生しません。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となります。
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、オペアンプに完全な直列負帰還（図2）を適用することによって構成できます（図3）。ここでユニティゲインとは、電圧ゲインが1（つまり0 dB）であることを意味しますが、電流ゲインは大きく期待できます。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入力電圧と等しくなるように調整します（V outはV inに追従するため、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、電圧の変化によるものではなく、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によるものです。オペアンプの入力インピーダンスは非常に高く（1 MΩ～10 TΩ）、オペアンプの入力は電源に負荷をかけず、最小限の電流しか引き込みません。オペアンプの出力インピーダンスは非常に低いため、まるで理想的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どちらもブリッジ接続であり、電源の消費電力、過負荷による歪み、クロストーク、その他の電磁干渉を低減します。
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電圧フォロワと呼ばれる）、真空管（カソードフォロワ）やその他の能動素子を用いた同様の構成などがあります。これらのアンプはすべて、実際にはユニティゲインよりわずかに小さいゲインを持ち（ただし、損失は小さく重要ではない場合があります）、DCオフセットが加算されます。これらの回路図では、能動素子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）。
図4の小信号回路を使用すると、回路から見たインピーダンスは次のようになります。
（この解析では、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と、g m r π = (I C /V T ) (V T /I B ) = β という関係式が成り立ちます。） r O >> R Lという通常のケースを仮定すると、バッファから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 が大きいので、これはかなり大きな値です。インピーダンスは、追加されたr πによってさらに大きくなりますが、多くの場合r π << (β + 1) R Lなので、追加しても大きな違いはありません。
図5の小信号回路を使用すると、回路内部から見たインピーダンスはもはやR Lではなく、MOSFETが電流を流さないため（低周波数では）無限大になります。
周波数が高くなると、トランジスタの寄生容量が影響を及ぼし始め、変換後の入力インピーダンスは周波数とともに低下する。
単一トランジスタ増幅器の構成によっては、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るものもあります。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）が好ましい構成です。 これらの増幅器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。
非線形バッファアンプは、デジタル回路において、使用するロジックファミリの通常のファンアウト数よりも多くのゲートを駆動する場合、あるいはディスプレイ、長い配線、その他の負荷の大きい機器を駆動する場合など、大電流が必要な場合に使用されることがあります。1つのパッケージに複数の個別のバッファアンプを内蔵することはよくあります。例えば、ヘックスバッファは6個のバッファアンプを内蔵した1つのパッケージであり、オクタルバッファは8個のバッファアンプを内蔵した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、それぞれ大電流対応の単入力NORゲートまたはORゲートに相当します。
ロックコンサートなどで使用されるような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、26～36dBの電圧利得を持ち、スピーカーが並列接続された低インピーダンスのスピーカーアレイに大電流を供給できるアンプである。
駆動型ガードは、電圧バッファを利用して非常にインピーダンスの高い信号線を保護します。バッファによって信号線と同じ電圧に駆動されるシールドで信号線を囲むことで、バッファの電圧が信号線とほぼ一致するため、シールドから高インピーダンスの信号線に大きな電流が漏れるのを防ぎ、同時にシールドの低インピーダンスによって信号線に影響を与える可能性のある迷走電流を吸収することができます。
単純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る）が含まれる。電流バッファアンプの電流ゲインは（ほぼ）1である。
図6は、電流源（DCエミッタ電流を表すI Eと表記）でバイアスされ、別のDC電流源をアクティブ負荷（DCコレクタ電流を表すI Cと表記）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印加されます。AC出力電流i outは、バッファから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。
トランジスタの出力抵抗が回路の入力側と出力側を接続しているため、出力から入力への（ごくわずかな）逆方向電圧フィードバックが発生し、この回路は単方向ではありません。また、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。
電流バッファは、比較的ノートン抵抗が小さい入力電流を受け取り、出力ポートで電流を複製します。出力ポートの電流は高い出力抵抗を持ちます...入力抵抗は低く、出力抵抗は高く、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等電流に変換します。
