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個互補晶體管組成的電流驅(qū)動電路，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，但具有相當強的輸出電流驅(qū)動能力，可以用來驅(qū)動高電容性或低電阻負載，經(jīng)常出現(xiàn)在各種音頻前級放大器的輸出驅(qū)動級位置，也可以作為耳機驅(qū)動放大器或信號輸入級緩沖電路來使用。由于菱形緩沖器電路結(jié)構(gòu)簡單而且相位、頻率特性優(yōu)異，既可以獨立組成電流緩沖器，又可以與運算放大器組合擴展輸出電流能力，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3種有代表性的菱形緩沖器電路以及一種采用結(jié)型場效應(yīng)管(JFET)驅(qū)動雙極性晶體管(BJT)的緩沖器電路進行一系列的實驗，詳細探討、比較各種菱形緩沖器電路各方面的性能。本文作為一篇實驗文章，力將實驗的過程詳實地加以記錄，讀者通過對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，對菱形緩沖器電路有深入的認識。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推挽輸出型式時，像圖2的電路那樣，加上VD1、VD2兩個

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)的正向壓降會有相當大的誤差；而且容易受溫度影響，各個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，實際上用分立元件組成的菱形緩沖器電路是像圖4這個樣子，在4個晶體管的發(fā)射極加上發(fā)射

4、極電阻，用來穩(wěn)定各個晶體管的工作電流，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)動兩個晶體管工作的電流約4mA，輸出級兩個晶體管工作電流約l5mA。將圖4基本菱形緩沖器電路中的VT2、VT5改成西克對管(SziklaiPair)就成為圖5的電路。西克對管電路又稱為互補達林頓電路。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。將兩個晶體管接成達林頓電路或西克對管電路，可以相當于一個p值超高的晶體管。達林頓電路或西克對管電路的p值約為兩個晶體管值的乘積，如果兩個晶體管的值相等，則達林頓電路或西克對管電路的總值為兩個晶體管各自值的平方。達林頓電路或西克對管

5、電路的缺點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/。達林頓電路與西克對管電路比較：達林頓電路將兩個雙極性晶體管的發(fā)射結(jié)串聯(lián)，使得發(fā)射結(jié)的正向壓降加倍；西克對管電路的發(fā)射結(jié)的正向壓降則沒有加倍。達林頓電路的前一個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)動后一個晶體管，所以達林頓電路本身兩個晶體管都是發(fā)射極跟隨器的形式。西克對管電路的前一個晶體管則是以共發(fā)射極方式驅(qū)動后一個晶體管，而后一個晶體管又以共發(fā)射極方式輸出至前一個晶體管的發(fā)射極，形成環(huán)路負反饋，西克對管電路本身兩個晶體管都是共發(fā)射極方式。一般認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、遲最嚴重，因此西克對管電路的缺點為輸出延遲較嚴重，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)型場效應(yīng)管驅(qū)動雙極性晶體管的緩沖器，利用結(jié)型場效應(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既簡單又性能優(yōu)異的緩沖器電路。設(shè)計這種電路時必須注意選用的結(jié)型場效應(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)型場效應(yīng)管還不能驅(qū)動雙極性晶體管就已經(jīng)截止了。下面將針對圖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)換速率進行計算機模擬仿真實驗。 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)。圖中的實線為頻率響應(yīng)曲線，縱坐標的單位為dB。紅線為相位響應(yīng)曲線，縱坐標的單位是角度(度)。可以明顯地看出這個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缺點。圖9為西克對管菱形緩沖器電路的頻率響應(yīng)和相位

8、響應(yīng)。可以看出其增益比圖4的基本菱形緩沖器電路更低，帶寬也遠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管電路的輸出延遲較嚴重，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減小恒流源的有效工作電壓范圍。 圖11為結(jié)型場效應(yīng)管驅(qū)動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，但

9、頻率響應(yīng)相當平順，沒有凸起，電壓增益也相當接近0dB。 方波響應(yīng)分析方波測試其實就是在測試電路的瞬態(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，是以脈沖來測試電路的瞬態(tài)階躍響應(yīng)，測試脈沖寬度為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1OOOV/s以上，只是轉(zhuǎn)角的地方稍有欠缺。圖13是西克對管菱形緩沖器的瞬態(tài)階躍響應(yīng)輸出波形。西克對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，西克對管兩個晶體管不能在同一時間反應(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)型場效應(yīng)管驅(qū)動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)型場效應(yīng)管驅(qū)動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)實驗中可以發(fā)現(xiàn)緩沖器的轉(zhuǎn)換速率都非常高，但這樣的實驗并不實際。實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種緩沖器的負載加上lOOOpF的電容，重新做一次瞬態(tài)階躍響應(yīng)的實驗。圖16是基本的菱形緩沖器負載加上lOOOpF的電容時的輸出波

11、形，其輸出波形的轉(zhuǎn)換速率就降了下來，約70V/s。圖17是西克對管菱形緩沖器負載加上lOOOpF的電容時的輸出波形，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載加上lOOOpF的電容時的輸出波形，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)型場效應(yīng)管驅(qū)動雙極性晶體管的緩沖器負載加上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，負載加上1000pF的電容，脈沖寬

12、度1s，幅值士10V，重新實驗。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)型場效應(yīng)管驅(qū)動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)型場效應(yīng)管驅(qū)動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，限制輸人信號帶寬對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質(zhì)量，一個優(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)。這幾個電路都是采用正負雙電源，因此

13、設(shè)計了3種針對PSRR的實驗。第一種是只將交流干擾信號加在正電源，負電源不加交流干擾信號；第二種是正負電源都加交流干擾信號，但正負電源所加的交流干擾信號的相位相同；第三種也是正負電源都加交流干擾信號，但正負電源所加的交流干擾信號的相位相反。首先實驗只將交流干擾信號加在正電源，負電源不加交流干擾信號，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電源交流干擾信號所產(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電路的PSRR。 圖25是西克對管

14、菱形緩沖器輸出端對電源交流干擾信號所產(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，這跟西克對管電路的高頻特性不佳有關(guān)。這個電路影響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電源交流干擾信號所產(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)型場效應(yīng)管驅(qū)動雙極性晶

15、體管的緩沖器輸出端對電源交流干擾信號所產(chǎn)生的頻率響應(yīng)，其PSRR只有58dB，也在lOOkHz開始惡化。這個電路影響PSRR的主要原因是結(jié)型場效應(yīng)管D、S極間的阻抗所導(dǎo)致。第二種實驗是正負電源都加交流干擾信號，但正負電源所加的交流干擾信號的相位相同，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電源交流干擾信號所產(chǎn)生的頻率響應(yīng)，其PSRR從接近46dB下降到不足40dB。這是因為正負電源都加的交流信號相位相同，使得輸出端的信號增加所致。圖29是西克對管菱形緩沖器輸出端對電源交流干擾信號所產(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電源交流

16、干擾信號所產(chǎn)生的頻率響應(yīng)，其PSRR從69dB下降到64dB。圖31是結(jié)型場效應(yīng)管驅(qū)動雙極性晶體管的緩沖器輸出端對電源交流干擾信號所產(chǎn)生的頻率響應(yīng)，其PSRR從58dB下降到55dB。 正負電源都加交流信號，而且相位相同的實驗顯示PSRR會變差。第三種也是正負電源都加交流干擾信號，但正負電源所加的交流干擾信號的相位相反，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電源交流干擾信號所產(chǎn)生的頻率響應(yīng)，其PSRR從接近46dB增加到接近88dB。這是因為正負電源加的交流干擾信號相位相反，使得輸出端的信號互相抵消所致。圖33是西克對管菱形緩沖器輸出端對電源交流干擾信號所產(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電源交流干擾信號所產(chǎn)生的頻率響應(yīng)，其PSRR從69dB增加到79dB。圖35是使用結(jié)型場效應(yīng)管驅(qū)動雙極性晶體管的緩沖器輸出踹對電源交流干擾信號所產(chǎn)生的頻率響應(yīng)，其PSRR從58dB增加到61dB。由以上PSRR的實驗可知，緩沖器的正負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?？傊C波失真(THD)分析在OrCadPSPICE上實驗諧波失真的方法是將電路輸入10VlkHz正弦波電壓信號，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，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)型場效應(yīng)管驅(qū)動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)路負反饋放大器大致可分成比較輸入信號與反饋信號間誤差的差動輸入級、放大誤差信號的電壓放大級，做電流放大的

19、功率級三個部分。電壓放大級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則是緩沖器，環(huán)路負反饋放大器的簡化等效電路模型就如圖40所示。通常在設(shè)計環(huán)路負反饋放大器時，大都是以穩(wěn)態(tài)響應(yīng)來考慮每一級的工作范圍，所以差動輸入級的工作范圍都被設(shè)計得很小，但對于高速瞬態(tài)響應(yīng)而言，由于輸出端無法立即對高速瞬態(tài)信號做出反應(yīng)，造成輸入信號與反饋信號差異太大，超過差動輸入級的工作范圍，導(dǎo)致輸入級瞬間輸入過載，限制了輸出信號的轉(zhuǎn)換速率。對于無環(huán)路負反饋放大器而言，輸出信號的轉(zhuǎn)換速率限制是在于每一個放大級的帶寬有限，每一個放大級都相當于低通濾波器，以致使輸出信號的轉(zhuǎn)換速率變慢，而非因為輸入級瞬間輸入過載所導(dǎo)致。瞬態(tài)互調(diào)失真(TIM)是專門用來描述環(huán)路負反饋放大器輸入級瞬間輸入過載所導(dǎo)致的失真情形。標準的TIM失真測試方法，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放大器的輸入信號。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，待測放大器的輸出信號會產(chǎn)生出900Hz的差頻信號。只要觀察待測放大器的輸出信號有沒有產(chǎn)生900Hz的差頻信號，便可以判斷有沒有產(chǎn)生TIM失真。圖41為OrCADP