菱形緩沖器電路探秘

1、菱形緩沖器電路探秘菱形緩沖器(DiamondBuffer)是由4個(gè)互補(bǔ)晶體管組成的電流驅(qū)動(dòng)電路，由于電路中的晶體管呈菱形交叉排列，故稱之為菱形緩沖器。菱形緩沖器屬于互補(bǔ)晶體管發(fā)射極跟隨器，因此自身沒有電壓放大能力，但具有相當(dāng)強(qiáng)的輸出電流驅(qū)動(dòng)能力，可以用來驅(qū)動(dòng)高電容性或低電阻負(fù)載，經(jīng)常出現(xiàn)在各種音頻前級(jí)放大器的輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)位置，也可以作為耳機(jī)驅(qū)動(dòng)放大器或信號(hào)輸入級(jí)緩沖電路來使用。由于菱形緩沖器電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且相位、頻率特性優(yōu)異，既可以獨(dú)立組成電流緩沖器，又可以與運(yùn)算放大器組合擴(kuò)展輸出電流能力，因此菱形緩沖器在各種音頻處理電路中得到廣泛使用。 本文利用OrCadPSPICE電路仿真軟件，針

2、對(duì)3種有代表性的菱形緩沖器電路以及一種采用結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JFET)驅(qū)動(dòng)雙極性晶體管(BJT)的緩沖器電路進(jìn)行一系列的實(shí)驗(yàn)，詳細(xì)探討、比較各種菱形緩沖器電路各方面的性能。本文作為一篇實(shí)驗(yàn)文章，力將實(shí)驗(yàn)的過程詳實(shí)地加以記錄，讀者通過對(duì)比圖與圖之間的些微差異，可以了解菱形緩沖器電路，并從電路的微妙變化中，對(duì)菱形緩沖器電路有深入的認(rèn)識(shí)。菱形緩沖器的演化最基本的緩沖器(Buffer)電路是圖1所示的晶體管發(fā)射極跟隨器。這樣的發(fā)射極跟隨器電路輸入與輸出之間的直流電位相差了一個(gè)晶體管發(fā)射極PN結(jié)正向壓降，因此將NPN型晶體管與PNP型晶體管接成單端互補(bǔ)推挽輸出型式時(shí)，像圖2的電路那樣，加上VD1、VD2兩個(gè)

3、二極管作為輸出晶體管的偏壓，用來抵消晶體管發(fā)射極PN結(jié)正向壓降，這樣就可以讓輸入與輸出之間的直流電位相同。圖2的電路是以VD1、VD2兩個(gè)二極管作為輸出晶體管的偏壓，如果用晶體管發(fā)射極PN結(jié)取代二極管作為輸出晶體管的偏壓，形成了圖3的電路。由于二極管沒有電流放大作用，而晶體管則具有電流放大作用，因此圖3的電路比圖2的電路輸入阻抗更高，成為更理想的緩沖器電路。在圖3電路中，由于不同晶體管之間發(fā)射圾PN結(jié)的正向壓降會(huì)有相當(dāng)大的誤差；而且容易受溫度影響，各個(gè)晶體管的工作電流難以把握，所以除了集成電路IC內(nèi)部的電路之外，實(shí)際上用分立元件組成的菱形緩沖器電路是像圖4這個(gè)樣子，在4個(gè)晶體管的發(fā)射極加上發(fā)射

4、極電阻，用來穩(wěn)定各個(gè)晶體管的工作電流，這是最基本的菱形緩沖器電路。電路的工作電流設(shè)定為驅(qū)動(dòng)兩個(gè)晶體管工作的電流約4mA，輸出級(jí)兩個(gè)晶體管工作電流約l5mA。將圖4基本菱形緩沖器電路中的VT2、VT5改成西克對(duì)管(SziklaiPair)就成為圖5的電路。西克對(duì)管電路又稱為互補(bǔ)達(dá)林頓電路。雙極性晶體管的集電極電流與基極電流的比值稱為p值，代表雙極性晶體管的電流增益特性。將兩個(gè)晶體管接成達(dá)林頓電路或西克對(duì)管電路，可以相當(dāng)于一個(gè)p值超高的晶體管。達(dá)林頓電路或西克對(duì)管電路的p值約為兩個(gè)晶體管值的乘積，如果兩個(gè)晶體管的值相等，則達(dá)林頓電路或西克對(duì)管電路的總值為兩個(gè)晶體管各自值的平方。達(dá)林頓電路或西克對(duì)管

5、電路的缺點(diǎn)是晶體管的漏電電流也放大倍，晶體管集電極與發(fā)射極間的阻抗減小到原來的1/。達(dá)林頓電路與西克對(duì)管電路比較：達(dá)林頓電路將兩個(gè)雙極性晶體管的發(fā)射結(jié)串聯(lián)，使得發(fā)射結(jié)的正向壓降加倍；西克對(duì)管電路的發(fā)射結(jié)的正向壓降則沒有加倍。達(dá)林頓電路的前一個(gè)晶體管是以晶體管三種基本放大電路中的共集電極方式驅(qū)動(dòng)后一個(gè)晶體管，所以達(dá)林頓電路本身兩個(gè)晶體管都是發(fā)射極跟隨器的形式。西克對(duì)管電路的前一個(gè)晶體管則是以共發(fā)射極方式驅(qū)動(dòng)后一個(gè)晶體管，而后一個(gè)晶體管又以共發(fā)射極方式輸出至前一個(gè)晶體管的發(fā)射極，形成環(huán)路負(fù)反饋，西克對(duì)管電路本身兩個(gè)晶體管都是共發(fā)射極方式。一般認(rèn)為在晶體管三種基本放大電路方式中，共發(fā)射極方式的輸出延

6、遲最嚴(yán)重，因此西克對(duì)管電路的缺點(diǎn)為輸出延遲較嚴(yán)重，高頻工作較不穩(wěn)定，容易發(fā)生自激振蕩。將圓4基本菱形緩沖器電路中的R1、R9改成高阻抗的恒流源則成為圖6的電路，這是最典型的菱形緩沖器電路。圖7所示電路為使用結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)雙極性晶體管的緩沖器，利用結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的G極與S極的PN結(jié)要反偏，雙極性晶體管基極與發(fā)射極的PN結(jié)則要正偏，組合起來就成為一個(gè)既簡(jiǎn)單又性能優(yōu)異的緩沖器電路。設(shè)計(jì)這種電路時(shí)必須注意選用的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的Vgs(off)要大于輸出晶體管發(fā)射極結(jié)的壓降加上發(fā)射極電阻的壓降，否則結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管還不能驅(qū)動(dòng)雙極性晶體管就已經(jīng)截止了。下面將針對(duì)圖4、5、6和7所示4種有代表性的菱形緩沖器電路的

7、重要參數(shù)指標(biāo)的頻率響應(yīng)、方波響應(yīng)、電源電壓抑制比PSRR、總諧波失真THD、瞬態(tài)互調(diào)失真TIM以及電壓轉(zhuǎn)換速率進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬仿真實(shí)驗(yàn)。 頻率響應(yīng)分析圖8為基本的菱形緩沖器電路用OrCadPSPICE仿真出來的頻率響應(yīng)和相位響應(yīng)。圖中的實(shí)線為頻率響應(yīng)曲線，縱坐標(biāo)的單位為dB。紅線為相位響應(yīng)曲線，縱坐標(biāo)的單位是角度(度)。可以明顯地看出這個(gè)基本的菱形緩沖器電路的增益比OdB略小一些，也就是說它的增益略小于1，其原因除了晶體管發(fā)射極內(nèi)阻的影響之外主要是R1、R2的分壓以及R8、R9的分壓所導(dǎo)致。如果R1、R9改成高阻抗的恒流源將可以改善這個(gè)缺點(diǎn)。圖9為西克對(duì)管菱形緩沖器電路的頻率響應(yīng)和相位

8、響應(yīng)?？梢钥闯銎湓鲆姹葓D4的基本菱形緩沖器電路更低，帶寬也遠(yuǎn)低于基本菱形緩沖器電路的頻率響應(yīng)和相位響應(yīng)。而且頻率響應(yīng)高頻端的大幅凸起也顯示出西克對(duì)管電路的輸出延遲較嚴(yán)重，高頻工作較不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生自激振蕩。圖10為采用恒流源菱形緩沖器電路的頻率響應(yīng)和相位響應(yīng)，恒流源的高阻抗使得電壓增益相當(dāng)接近OdB。圖中頻率響應(yīng)高頻端的凸起是恒流源的晶體管極間寄生電容所造成的，通常可以在恒流源晶體管的集電極串一個(gè)電阻來削弱晶體管極間寄生電容的影響，但恒流源晶體管的集電極串電阻也會(huì)減小恒流源的有效工作電壓范圍。 圖11為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)雙極性晶體管的緩沖器的頻率響應(yīng)和相位響應(yīng)。帶寬雖然稍微窄了一點(diǎn)，但

9、頻率響應(yīng)相當(dāng)平順，沒有凸起，電壓增益也相當(dāng)接近0dB。 方波響應(yīng)分析方波測(cè)試其實(shí)就是在測(cè)試電路的瞬態(tài)階躍響應(yīng)。從方波響應(yīng)可以看出電路的反應(yīng)速度和穩(wěn)定性這方面的特性。在OrCADPSPICE上，是以脈沖來測(cè)試電路的瞬態(tài)階躍響應(yīng)，測(cè)試脈沖寬度為1s，幅值±1OV。圖12是基本的菱形緩沖器的瞬態(tài)階躍響應(yīng)輸出波形，可以看出其轉(zhuǎn)換速率非常高，達(dá)1OOOV/s以上，只是轉(zhuǎn)角的地方稍有欠缺。圖13是西克對(duì)管菱形緩沖器的瞬態(tài)階躍響應(yīng)輸出波形。西克對(duì)管菱形緩沖器的瞬態(tài)階躍響應(yīng)出現(xiàn)了問題，顯然由于晶體管輸出延遲的關(guān)系，西克對(duì)管兩個(gè)晶體管不能在同一時(shí)間反應(yīng)，使得上升跟下降的波形分段。圖14是采用

10、恒流源菱形緩沖器的瞬態(tài)階躍響應(yīng)輸出波形。恒流源菱形緩沖器的瞬態(tài)階躍響應(yīng)比基本的菱形緩沖器在轉(zhuǎn)角上的欠缺稍微大了些。圖15是結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)雙極性晶體管的緩沖器的瞬態(tài)階躍響應(yīng)輸出波形。使用結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)雙極性晶體管的緩沖器的“瞬態(tài)階躍響應(yīng)”最理想。   從前面做的瞬態(tài)階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)緩沖器的轉(zhuǎn)換速率都非常高，但這樣的實(shí)驗(yàn)并不實(shí)際。實(shí)際的電路由于雜散電容無所不在，緩沖器經(jīng)常用來改善由于負(fù)載中含有的電容成分所造成的高頻衰減，所以我在這4種緩沖器的負(fù)載加上lOOOpF的電容，重新做一次瞬態(tài)階躍響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。圖16是基本的菱形緩沖器負(fù)載加上lOOOpF的電容時(shí)的輸出波

11、形，其輸出波形的轉(zhuǎn)換速率就降了下來，約70V/s。圖17是西克對(duì)管菱形緩沖器負(fù)載加上lOOOpF的電容時(shí)的輸出波形，其瞬態(tài)階躍響應(yīng)就更慢了，上升跟下降的波形也明顯分段。圖18是恒流源菱形緩沖器負(fù)載加上lOOOpF的電容時(shí)的輸出波形，和基本的菱形緩沖器差不多，轉(zhuǎn)換速率都在70V/s左右。圖19是結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)雙極性晶體管的緩沖器負(fù)載加上lOOOpF的電容輸出波形，其轉(zhuǎn)換速率200V/s左右，有些過沖。   在緩沖器的輸入端加RC低通濾波電路來限制輸入信號(hào)的帶寬，看看能不能改善瞬態(tài)階躍響應(yīng)過沖和振鈴的問題。輸入加上lOOpF的電容，負(fù)載加上1000pF的電容，脈沖寬

12、度1s，幅值士10V，重新實(shí)驗(yàn)。圖20是基本的菱形緩沖器的瞬態(tài)階躍響應(yīng)輸出波形。圖21是西克對(duì)管菱形緩沖器的瞬態(tài)階躍響應(yīng)輸出波形。圖22是恒流源菱形緩沖器的瞬態(tài)階躍響應(yīng)輸出波形。圖23是結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)雙極性晶體管的緩沖器的瞬態(tài)階躍響應(yīng)輸出波形，過沖變小了但改善有限。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)雙極性晶體管的緩沖器瞬態(tài)階躍響應(yīng)的自然諧振頻率較低，限制輸人信號(hào)帶寬對(duì)改善其過沖振鈴的效果不明顯。電源電壓抑制比(PSRR)分析任何電源都會(huì)有諧波、脈沖或噪聲存在，為了避免電源的諧波、脈沖或噪聲影響到輸出信號(hào)質(zhì)量，一個(gè)優(yōu)秀的放大電路或緩沖器必須要有很高的電源電壓抑制比(PSRR)。這幾個(gè)電路都是采用正負(fù)雙電源，因此

13、設(shè)計(jì)了3種針對(duì)PSRR的實(shí)驗(yàn)。第一種是只將交流干擾信號(hào)加在正電源，負(fù)電源不加交流干擾信號(hào)；第二種是正負(fù)電源都加交流干擾信號(hào)，但正負(fù)電源所加的交流干擾信號(hào)的相位相同；第三種也是正負(fù)電源都加交流干擾信號(hào)，但正負(fù)電源所加的交流干擾信號(hào)的相位相反。首先實(shí)驗(yàn)只將交流干擾信號(hào)加在正電源，負(fù)電源不加交流干擾信號(hào)，緩沖器的輸入端短路到地。圖24是基本的菱形緩沖器輸出端對(duì)電源交流干擾信號(hào)所產(chǎn)生的頻率響應(yīng)，PSRR接近46dB，而且在lMHz左右開始惡化，影響這個(gè)電路PSRR的主要原因是R1、R2的分壓以及R8、R9的分壓，如果R1、R9玫成高阻抗的恒流源將可以改善這個(gè)電路的PSRR。 圖25是西克對(duì)管

14、菱形緩沖器輸出端對(duì)電源交流干擾信號(hào)所產(chǎn)生的頻率響應(yīng)，PSRR比基本的菱形緩沖器差，約為40dB，而且在lOOkHz左右開始惡化，這跟西克對(duì)管電路的高頻特性不佳有關(guān)。這個(gè)電路影響PSRR的主要原因同樣是R1、R2的分壓以及R8、R9的分壓所導(dǎo)致，由于西克對(duì)管電路的輸入晶體管發(fā)射結(jié)的正向壓降變小，R2、R8必須變大才能維持1司樣的偏流，導(dǎo)致PSRR更差。圖26是恒流源的菱形緩沖器輸出端對(duì)電源交流干擾信號(hào)所產(chǎn)生的頻率響應(yīng)，其PSRR較好，接近69dB，在lOOkHz開始惡化。這個(gè)電路影響PSRR的主要原因是晶體管c、e極間的阻抗與VT2、VT5發(fā)射極電阻的分壓所導(dǎo)致。圖27是結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)雙極性晶

15、體管的緩沖器輸出端對(duì)電源交流干擾信號(hào)所產(chǎn)生的頻率響應(yīng)，其PSRR只有58dB，也在lOOkHz開始惡化。這個(gè)電路影響PSRR的主要原因是結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管D、S極間的阻抗所導(dǎo)致。第二種實(shí)驗(yàn)是正負(fù)電源都加交流干擾信號(hào)，但正負(fù)電源所加的交流干擾信號(hào)的相位相同，緩沖器的輸入端短路到地。圖28是基本的菱形緩沖器輸出端對(duì)電源交流干擾信號(hào)所產(chǎn)生的頻率響應(yīng)，其PSRR從接近46dB下降到不足40dB。這是因?yàn)檎?fù)電源都加的交流信號(hào)相位相同，使得輸出端的信號(hào)增加所致。圖29是西克對(duì)管菱形緩沖器輸出端對(duì)電源交流干擾信號(hào)所產(chǎn)生的頻率響應(yīng)，其PSRR從接近40dB下降到34dB。圖30是恒流源的菱形緩沖器輸出端對(duì)電源交流

16、干擾信號(hào)所產(chǎn)生的頻率響應(yīng)，其PSRR從69dB下降到64dB。圖31是結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)雙極性晶體管的緩沖器輸出端對(duì)電源交流干擾信號(hào)所產(chǎn)生的頻率響應(yīng)，其PSRR從58dB下降到55dB。 正負(fù)電源都加交流信號(hào)，而且相位相同的實(shí)驗(yàn)顯示PSRR會(huì)變差。第三種也是正負(fù)電源都加交流干擾信號(hào)，但正負(fù)電源所加的交流干擾信號(hào)的相位相反，緩沖器的輸入端短路到地。圖32是基本的菱形緩沖器輸出端對(duì)電源交流干擾信號(hào)所產(chǎn)生的頻率響應(yīng)，其PSRR從接近46dB增加到接近88dB。這是因?yàn)檎?fù)電源加的交流干擾信號(hào)相位相反，使得輸出端的信號(hào)互相抵消所致。圖33是西克對(duì)管菱形緩沖器輸出端對(duì)電源交流干擾信號(hào)所產(chǎn)生的頻率

17、響應(yīng)，其PSRR從接近40dB增加到80dB。圖34是恒流源的菱形緩沖器輸出端對(duì)電源交流干擾信號(hào)所產(chǎn)生的頻率響應(yīng)，其PSRR從69dB增加到79dB。圖35是使用結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)雙極性晶體管的緩沖器輸出踹對(duì)電源交流干擾信號(hào)所產(chǎn)生的頻率響應(yīng)，其PSRR從58dB增加到61dB。由以上PSRR的實(shí)驗(yàn)可知，緩沖器的正負(fù)電源上的諧波如果相位相反，可以大幅提高緩沖器的PSRR數(shù)值。總諧波失真(THD)分析在OrCadPSPICE上實(shí)驗(yàn)諧波失真的方法是將電路輸入10VlkHz正弦波電壓信號(hào)，使用OrCadPSPICE的快速傅立葉變換(FPT)功能，將輸出波形轉(zhuǎn)換成頻譜來觀察失真成分。圖36是基本的菱形緩沖

18、器的電路輸出波形的頻譜，以基頻為1OV、諧波成分1mV為例，失真為0.01%，三次諧波失真大約在0.01%，其他的諧波都低于0.01%。圖37是西克對(duì)管菱形緩沖器輸出波形的頻譜，與基本的菱形緩沖器相比，低次諧波失真小一點(diǎn)，高次諧波失真較多。圖38是恒流源菱形緩沖器輸出波形的頻譜，與基本的菱形緩沖器相比諧波失真要小得多。  圖39是結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)雙極性晶體管的緩沖器輸出波形的頻譜，其諧波失真比恒流源菱形緩沖器的諧波失真大一些。 瞬態(tài)互調(diào)失真(TIM)分析一般的環(huán)路負(fù)反饋放大器大致可分成比較輸入信號(hào)與反饋信號(hào)間誤差的差動(dòng)輸入級(jí)、放大誤差信號(hào)的電壓放大級(jí)，做電流放大的

19、功率級(jí)三個(gè)部分。電壓放大級(jí)由于存在著米勒效應(yīng)作用類似積分器，做電流放大的功率級(jí)則是緩沖器，環(huán)路負(fù)反饋放大器的簡(jiǎn)化等效電路模型就如圖40所示。通常在設(shè)計(jì)環(huán)路負(fù)反饋放大器時(shí)，大都是以穩(wěn)態(tài)響應(yīng)來考慮每一級(jí)的工作范圍，所以差動(dòng)輸入級(jí)的工作范圍都被設(shè)計(jì)得很小，但對(duì)于高速瞬態(tài)響應(yīng)而言，由于輸出端無法立即對(duì)高速瞬態(tài)信號(hào)做出反應(yīng)，造成輸入信號(hào)與反饋信號(hào)差異太大，超過差動(dòng)輸入級(jí)的工作范圍，導(dǎo)致輸入級(jí)瞬間輸入過載，限制了輸出信號(hào)的轉(zhuǎn)換速率。對(duì)于無環(huán)路負(fù)反饋放大器而言，輸出信號(hào)的轉(zhuǎn)換速率限制是在于每一個(gè)放大級(jí)的帶寬有限，每一個(gè)放大級(jí)都相當(dāng)于低通濾波器，以致使輸出信號(hào)的轉(zhuǎn)換速率變慢，而非因?yàn)檩斎爰?jí)瞬間輸入過載所導(dǎo)致。瞬態(tài)互調(diào)失真(TIM)是專門用來描述環(huán)路負(fù)反饋放大器輸入級(jí)瞬間輸入過載所導(dǎo)致的失真情形。標(biāo)準(zhǔn)的TIM失真測(cè)試方法，是將3.l8kHz的方波跟15kHz的正弦波以幅值4：1的比例混合起來作為待測(cè)放大器的輸入信號(hào)。3.l8kH2方波的5次諧波為15.9kHz，跟l5kHz的正弦波相差900Hz。如果發(fā)生TIM失真，待測(cè)放大器的輸出信號(hào)會(huì)產(chǎn)生出900Hz的差頻信號(hào)。只要觀察待測(cè)放大器的輸出信號(hào)有沒有產(chǎn)生900Hz的差頻信號(hào)，便可以判斷有沒有產(chǎn)生TIM失真。圖41為OrCADP