При буферировании входного сигнала АЦП, выходного сигнала ЦАП либо аудиодрайвера линии рекомендуется использовать дискретную схему, а не встроенный буфер.
На рисунке 1 приведена схема буфера с единичным коэффициентом усиления, низким выходным импедансом и малыми искажениями. В нем имеется два эмиттерных повторителя, включенных как симметричные усилители класса А. Вместо резисторов в эмиттерной цепи (см. рис. 2) используются источники тока. Транзисторы Q1 и Q2 должны быть комплементарны и иметь очень близкие коэффициенты усиления по току β.
Рис. 1. Исходная схема буфера
Рис. 2. Фрагмент схемы на рисунке 1, поясняющий строение источников тока I3 и I4
Преимуществом данной схемы перед стандартным эмиттерным повторителем является малый шум и низкий уровень четных гармоник. Ток и напряжение смещения IBIAS и VBIAS на входе и напряжение смещения на выходе малы, а коэффициент подавления помех по питанию достаточно высок. В данной схеме не требуется температурная компенсация. Как и в стандартном повторителе напряжения, в данной схеме применяется только местная обратная связь.
Резисторы R1 and R2 суммируют выходные сигналы. Если они равны, четные гармоники уничтожаются. Лучше выбирать резисторы, изготовленные из металлической пленки или фольги. Они обладают большей стабильностью и линейностью, а также вносят минимум шумов.
Падение напряжения на R1 равно напряжению база-эмиттер VBE транзистора Q1. Отсюда
R1=K×VBE/I1,
где K принимает значения от 3 до 20.
Сопротивление R2 = R1. Одинаковые резисторы обеспечивают стабильность при работе на емкостную нагрузку, поэтому значение K зависит от этой емкости. В случае использования переменного тока эти резисторы соединены параллельно, поэтому выходной импеданс буфера мал.
Диод D1 защищает эмиттерные переходы от чрезмерных всплесков входного напряжения. Если буфер используется в качестве выходного каскада, диод D1 можно исключить.
Коэффициенты усиления по току транзисторов обычно не совпадают, поэтому на выходе появляется напряжение смещения. Для компенсации этого эффекта применяются резисторы R5A и R5B (см. схему на рисунке 1). Чтобы выходное напряжение смещения было почти нулевым, используется только один резистор.
Рассмотрим пример (см. рис. 1). Пусть β2>β1, тогда R5А можно не использовать. При β1>β2 лишним оказывается R5В. Сопротивление рассчитывается по формуле: R5=β1×β2×VBE/ (I1×(β2−β1)), где β1 и β2 – коэффициенты усиления по току транзисторов Q1 и Q2 соответственно. Когда выходное смещение близко к нулю, напряжение смещения на входе также минимизируется, поскольку токи I3 и I4 уничтожают друг друга.
В схеме на рисунке 3 выходное напряжение смещения автоматически устанавливается близким к нулю.
Рис. 3. Схема с автоматической компенсацией выходного смещения
Интегратор IC1 усредняет выходное напряжение и работает как ФВЧ с частотой излома fC:
fC=1/(2×π×R3×C3).
В нашем примере fC≈ 1,6 Гц.
Выходной сигнал интегратора поступает на оптопару. Фоторезисторы заменяют резисторы R5. Схема на рисунке 3 обеспечивает практически нулевое выходное напряжение смещения, даже в присутствии входного напряжения смещения. Операционный усилитель IC1 вносит малый шум, малый ток и напряжение смещения. Резистор R3 и конденсатор C3 должны быть качественными и обладать высокой стабильностью.
Одна из оптопар в схеме на рисунке 3 лишняя. Если соотношение коэффициентов усиления по току транзисторов известно, неактивную оптопару рекомендуется более дешевым диодом (см. рис. 4). Предполагается, что β2>β1, поэтому фоторезистор шунтирует транзистор Q2. Резистор R4 также можно исключить, если максимальный выходной ток интегратора не выходит за допустимый диапазон для светодиода в оптопаре.
Если применяется оптопара с лампой накаливания, интегратор не требуется, поскольку лампа выполняет его роль. Конденсатор С3 заменяется на резистор R5 = 1 МОм, сопротивление R3 равно 1 кОм (см. рис. 5). Данная схема имеет меньший коэффициент усиления по току, поэтому выходное смещение может быть достаточно большим, десятки милливольт. Диод D2 защищает от возможного запирания схемы.
Рис. 5. Упрощение схемы при использовании оптопары с лампой накаливания