菱形缓冲器电路

菱形缓冲器(DiamondBuffer)是由4个互补晶体管组成的电流驱动电路，由于电路中的晶体管呈菱形交叉排列，故称之为菱形缓冲器。菱形缓冲器属于互补晶体管发射极跟随器，因此自身没有电压放大能力，但具有相当强的输出电流驱动能力，可以用来驱动高电容性或低电阻负载，经常出现在各种音频前级放大器的输出驱动级位置，也可以作为耳机驱动放大器或信号输入级缓冲电路来使用。由于菱形缓冲器电路结构简单而且相位、频率特性优异，既可以独立组成电流缓冲器，又可以与运算放大器组合扩展输出电流能力，因此菱形缓冲器在各种音频处理电路中得到广泛使用。

 

 

 

　　本文利用OrCadPSPICE电路仿真软件，针对3种有代表性的菱形缓冲器电路以及一种采用结型场效应管(JFET)驱动双极性晶体管(BJT)的缓冲器电路进行一系列的实验，详细探讨、比较各种菱形缓冲器电路各方面的性能。本文作为一篇实验文章，力将实验的过程详实地加以记录，读者通过对比图与图之间的些微差异，可以了解菱形缓冲器电路，并从电路的微妙变化中，对菱形缓冲器电路有深入的认识。

　　菱形缓冲器的演化

　　最基本的缓冲器(Buffer)电路是图1所示的晶体管发射极跟随器。

这样的发射极跟随器电路输入与输出之间的直流电位相差了一个晶体管发射极PN结正向压降，因此将NPN型晶体管与PNP型晶体管接成单端互补推挽输出型式时，像图2的电路那样，加上VD1、VD2两个二极管作为输出晶体管的偏压，用来抵消晶体管发射极PN结正向压降，这样就可以让输入与输出之间的直流电位相同。图2的电路是以VD1、VD2两个二极管作为输出晶体管的偏压，如果用晶体管发射极PN结取代二极管作为输出晶体管的偏压，形成了图3的电路。由于二极管没有电流放大作用，而晶体管则具有电流放大作用，因此图3的电路比图2的电路输入阻抗更高，成为更理想的缓冲器电路。在图3电路中，由于不同晶体管之间发射圾PN结的正向压降会有相当大的误差；而且容易受温度影响，各个晶体管的工作电流难以把握，所以除了集成电路IC内部的电路之外，实际上用分立元件组成的菱形缓冲器电路是像图4这个样子，在4个晶体管的发射极加上发射极电阻，用来稳定各个晶体管的工作电流，这是最基本的菱形缓冲器电路。电路的工作电流设定为驱动两个晶体管工作的电流约4mA，输出级两个晶体管工作电流约l5mA。将图4基本菱形缓冲器电路中的VT2、VT5改成西克对管(SziklaiPair)就成为图5的电路。西克对管电路又称为互补达林顿电路。双极性晶体管的集电极电流与基极电流的比值称为p值，代表双极性晶体管的电流增益特性。将两个晶体管接成达林顿电路或西克对管电路，可以相当于一个p值超高的晶体管。达林顿电路或西克对管电路的p值约为两个晶体管β值的乘积，如果两个晶体管的β值相等，则达林顿电路或西克对管电路的总β值为两个晶体管各自β值的平方。达林顿电路或西克对管电路的缺点是晶体管的漏电电流也放大β倍，晶体管集电极与发射极间的阻抗减小到原来的1/β。

　　达林顿电路与西克对管电路比较：达林顿电路将两个双极性晶体管的发射结串联，使得发射结的正向压降加倍；西克对管电路的发射结的正向压降则没有加倍。达林顿电路的前一个晶体管是以晶体管三种基本放大电路中的共集电极方式驱动后一个晶体管，所以达林顿电路本身两个晶体管都是发射极跟随器的形式。西克对管电路的前一个晶体管则是以共发射极方式驱动后一个晶体管，而后一个晶体管又以共发射极方式输出至前一个晶体管的发射极，形成环路负反馈，西克对管电路本身两个晶体管都是共发射极方式。一般认为在晶体管三种基本放大电路方式中，共发射极方式的输出延迟最严重，因此西克对管电路的缺点为输出延迟较严重，高频工作较不稳定，容易发生自激振荡。将圆4基本菱形缓冲器电路中的R1、R9改成高阻抗的恒流源则成为图6的电路，这是最典型的菱形缓冲器电路。图7所示电路为使用结型场效应管驱动双极性晶体管的缓冲器，利用结型场效应管的G极与S极的PN结要反偏，双极性晶体管基极与发射极的PN结则要正偏，组合起来就成为一个既简单又性能优异的缓冲器电路。设计这种电路时必须注意选用的结型场效应管的Vgs(off)要大于输出晶体管发射极结的压降加上发射极电阻的压降，否则结型场效应管还不能驱动双极性晶体管就已经截止了。

　　下面将针对图4、5、6和7所示4种有代表性的菱形缓冲器电路的重要参数指标的频率响应、方波响应、电源电压抑制比PSRR、总谐波失真THD、瞬态互调失真TIM以及电压转换速率进行计算机模拟仿真实验。

　　频率响应分析 

　　图8为基本的菱形缓冲器电路用OrCadPSPICE仿真出来的频率响应和相位响应。图中的实线为频率响应曲线，纵坐标的单位为dB。红线为相位响应曲线，纵坐标的单位是角度(度)。可以明显地看出这个基本的菱形缓冲器电路的增益比OdB略小一些，也就是说它的增益略小于1，其原因除了晶体管发射极内阻的影响之外主要是R1、R2的分压以及R8、R9的分压所导致。如果R1、R9改成高阻抗的恒流源将可以改善这个缺点。

　　图9为西克对管菱形缓冲器电路的频率响应和相位响应。可以看出其增益比图4的基本菱形缓冲器电路更低，带宽也远低于基本菱形缓冲器电路的频率响应和相位响应。而且频率响应高频端的大幅凸起也显示出西克对管电路的输出延迟较严重，高频工作较不稳定，容易产生自激振荡。

　　图10为采用恒流源菱形缓冲器电路的频率响应和相位响应，恒流源的高阻抗使得电压增益相当接近OdB。图中频率响应高频端的凸起是恒流源的晶体管极间寄生电容所造成的，通常可以在恒流源晶体管的集电极串一个电阻来削弱晶体管极间寄生电容的影响，但恒流源晶体管的集电极串电阻也会减小恒流源的有效工作电压范围。

 

　　图11为结型场效应管驱动双极性晶体管的缓冲器的频率响应和相位响应。带宽虽然稍微窄了一点，但频率响应相当平顺，没有凸起，电压增益也相当接近0dB。

 

 

 

　　方波响应分析

　　方波测试其实就是在测试电路的瞬态阶跃响应。从方波响应可以看出电路的反应速度和稳定性这方面的特性。在OrCADPSPICE上，是以脉冲来测试电路的瞬态阶跃响应，测试脉冲宽度为1μs，幅值±1OV。图12是基本的菱形缓冲器的瞬态阶跃响应输出波形，可以看出其转换速率非常高，达1OOOV/μs以上，只是转角的地方稍有欠缺。图13是西克对管菱形缓冲器的瞬态阶跃响应输出波形。西克对管菱形缓冲器的瞬态阶跃响应出现了问题，显然由于晶体管输出延迟的关系，西克对管两个晶体管不能在同一时间反应，使得上升跟下降的波形分段。

　　图14是采用恒流源菱形缓冲器的瞬态阶跃响应输出波形。恒流源菱形缓冲器的瞬态阶跃响应比基本的菱形缓冲器在转角上的欠缺稍微大了些。图15是结型场效应管驱动双极性晶体管的缓冲器的瞬态阶跃响应输出波形。使用结型场效应管驱动双极性晶体管的缓冲器的“瞬态阶跃响应”最理想。

 

 

 　　从前面做的瞬态阶跃响应实验中可以发现缓冲器的转换速率都非常高，但这样的实验并不实际。实际的电路由于杂散电容无所不在，缓冲器经常用来改善由于负载中含有的电容成分所造成的高频衰减，所以我在这4种缓冲器的负载加上lOOOpF的电容，重新做一次瞬态阶跃响应的实验。

　　图16是基本的菱形缓冲器负载加上lOOOpF的电容时的输出波形，其输出波形的转换速率就降了下来，约70V/μs。图17是西克对管菱形缓冲器负载加上lOOOpF的电容时的输出波形，其瞬态阶跃响应就更慢了，上升跟下降的波形也明显分段。图18是恒流源菱形缓冲器负载加上lOOOpF的电容时的输出波形，和基本的菱形缓冲器差不多，转换速率都在70V/μs左右。图19是结型场效应管驱动双极性晶体管的缓冲器负载加上lOOOpF的电容输出波形，其转换速率200V/μs左右，有些过冲。

 

 

 　　在缓冲器的输入端加RC低通滤波电路来限制输入信号的带宽，看看能不能改善瞬态阶跃响应过冲和振铃的问题。输入加上lOOpF的电容，负载加上1000pF的电容，脉冲宽度1μs，幅值士10V，重新实验。图20是基本的菱形缓冲器的瞬态阶跃响应输出波形。

　　图21是西克对管菱形缓冲器的瞬态阶跃响应输出波形。

图22是恒流源菱形缓冲器的瞬态阶跃响应输出波形。

图23是结型场效应管驱动双极性晶体管的缓冲器的瞬态阶跃响应输出波形，过冲变小了但改善有限。结型场效应管驱动双极性晶体管的缓冲器瞬态阶跃响应的自然谐振频率较低，限制输人信号带宽对改善其过冲振铃的效果不明显。

　　电源电压抑制比(PSRR)分析

　　任何电源都会有谐波、脉冲或噪声存在，为了避免电源的谐波、脉冲或噪声影响到输出信号质量，一个优秀的放大电路或缓冲器必须要有很高的电源电压抑制比(PSRR)。这几个电路都是采用正负双电源，因此设计了3种针对PSRR的实验。第一种是只将交流干扰信号加在正电源，负电源不加交流干扰信号；第二种是正负电源都加交流干扰信号，但正负电源所加的交流干扰信号的相位相同；第三种也是正负电源都加交流干扰信号，但正负电源所加的交流干扰信号的相位相反。

　　首先实验只将交流干扰信号加在正电源，负电源不加交流干扰信号，缓冲器的输入端短路到地。图24是基本的菱形缓冲器输出端对电源交流干扰信号所产生的频率响应，PSRR接近46dB，而且在lMHz左右开始恶化，影响这个电路PSRR的主要原因是R1、R2的分压以及R8、R9的分压，如果R1、R9玫成高阻抗的恒流源将可以改善这个电路的PSRR。

 

图25是西克对管菱形缓冲器输出端对电源交流干扰信号所产生的频率响应，PSRR比基本的菱形缓冲器差，约为40dB，而且在lOOkHz左右开始恶化，这跟西克对管电路的高频特性不佳有关。这个电路影响PSRR的主要原因同样是R1、R2的分压以及R8、R9的分压所导致，由于西克对管电路的输入晶体管发射结的正向压降变小，R2、R8必须变大才能维持1司样的偏流，导致PSRR更差。

图26是恒流源的菱形缓冲器输出端对电源交流干扰信号所产生的频率响应，其PSRR较好，接近69dB，在lOOkHz开始恶化。

　　这个电路影响PSRR的主要原因是晶体管c、e极间的阻抗与VT2、VT5发射极电阻的分压所导致。图27是结型场效应管驱动双极性晶体管的缓冲器输出端对电源交流干扰信号所产生的频率响应，其PSRR只有58dB，也在lOOkHz开始恶化。这个电路影响PSRR的主要原因是结型场效应管D、S极间的阻抗所导致。

　　第二种实验是正负电源都加交流干扰信号，但正负电源所加的交流干扰信号的相位相同，缓冲器的输入端短路到地。图28是基本的菱形缓冲器输出端对电源交流干扰信号所产生的频率响应，其PSRR从接近46dB下降到不足40dB。这是因为正负电源都加的交流信号相位相同，使得输出端的信号增加所致。

图29是西克对管菱形缓冲器输出端对电源交流干扰信号所产生的频率响应，其PSRR从接近40dB下降到34dB。

图30是恒流源的菱形缓冲器输出端对电源交流干扰信号所产生的频率响应，其PSRR从69dB下降到64dB。

图31是结型场效应管驱动双极性晶体管的缓冲器输出端对电源交流干扰信号所产生的频率响应，其PSRR从58dB下降到55dB。

 

　　正负电源都加交流信号，而且相位相同的实验显示PSRR会变差。

　　第三种也是正负电源都加交流干扰信号，但正负电源所加的交流干扰信号的相位相反，缓冲器的输入端短路到地。图32是基本的菱形缓冲器输出端对电源交流干扰信号所产生的频率响应，其PSRR从接近46dB增加到接近88dB。

这是因为正负电源加的交流干扰信号相位相反，使得输出端的信号互相抵消所致。图33是西克对管菱形缓冲器输出端对电源交流干扰信号所产生的频率响应，其PSRR从接近40dB增加到80dB。

图34是恒流源的菱形缓冲器输出端对电源交流干扰信号所产生的频率响应，其PSRR从69dB增加到79dB。

图35是使用结型场效应管驱动双极性晶体管的缓冲器输出踹对电源交流干扰信号所产生的频率响应，其PSRR从58dB增加到61dB。由以上PSRR的实验可知，缓冲器的正负电源上的谐波如果相位相反，可以大幅提高缓冲器的PSRR数值。

　　总谐波失真(THD)分析

　　在OrCadPSPICE上实验谐波失真的方法是将电路输入10VlkHz正弦波电压信号，使用OrCadPSPICE的快速傅立叶变换(FPT)功能，将输出波形转换成频谱来观察失真成分。图36是基本的菱形缓冲器的电路输出波形的频谱，以基频为1OV、谐波成分1mV为例，失真为0.01%，三次谐波失真大约在0.01%，其他的谐波都低于0.01%。

　　图37是西克对管菱形缓冲器输出波形的频谱，与基本的菱形缓冲器相比，低次谐波失真小一点，高次谐波失真较多。

图38是恒流源菱形缓冲器输出波形的频谱，与基本的菱形缓冲器相比谐

 

波失真要小得多。图39是结型场效应管驱动双极性晶体管的缓冲器输出波形的频谱，其谐波失真比恒流源菱形缓冲器的谐波失真大一些。

 

 

 

　　瞬态互调失真(TIM)分析一般的环路负反馈放大器大致可分成比较输入信号与反馈信号间误差的差动输入级、放大误差信号的电压放大级，做电流放大的功率级三个部分。电压放大级由于存在着米勒效应作用类似积分器，做电流放大的功率级则是缓冲器，环路负反馈放大器的简化等效电路模型就如图40所示。

通常在设计环路负反馈放大器时，大都是以稳态响应来考虑每一级的工作范围，所以差动输入级的工作范围都被设计得很小，但对于高速瞬态响应而言，由于输出端无法立即对高速瞬态信号做出反应，造成输入信号与反馈信号差异太大，超过差动输入级的工作范围，导致输入级瞬间输入过载，限制了输出信号的转换速率。对于无环路负反馈放大器而言，输出信号的转换速率限制是在于每一个放大级的带宽有限，每一个放大级都相当于低通滤波器，以致使输出信号的转换速率变慢，而非因为输入级瞬间输入过载所导致。瞬态互调失真(TIM)是专门用来描述环路负反馈放大器输入级瞬间输入过载所导致的失真情形。标准的TIM失真测试方法，是将3.l8kHz的方波跟15kHz的正弦波以幅值4：1的比例混合起来作为待测放大器的输入信号。3.l8kH2方波的5次谐波为15.9kHz，跟l5kHz的正弦波相差900Hz。如果发生TIM失真，待测放大器的输出信号会产生出900Hz的差频信号。只要观察待测放大器的输出信号有没有产生900Hz的差频信号，便可以判断有没有产生TIM失真。

图41为OrCADPSPICE中将3.l8kHz的方波跟l5kHz的正弦波以幅值4：1的比例混合起来的电路图，其中V2这个3.l8kHz的方波使用到PWL组件，PWL组件无法在电路图上直接加以定义，而必须在电路的网络表(Netlist)文件中加人波形描述。图42为3.l8kHz的方波跟l5kHz的正弦波以幅值4：1的比例混合起来的波形。

图43为3.l8kHz的方波跟l5kHz的正弦波以幅值4：1的比例混合起来的波形的频谱图，图中的频谱曲线有一些小凸起是软件计算误差所致，这是由于设定电路仿真时每个步长为0.lμs，如果设定成每个步长为0.0lμs，频谱曲线的小凸起就看不见了。

图44是基本的菱形缓冲器TIM失真测试电路的输出波形频谱，没有TIM失真产生。

 

图45是西克对管菱形缓冲器TIM失真测试电路的输出波形频谱，TIM失真非常严重。

 

图46是恒流源菱形缓冲器TIM失真测试电路的输出波形频谱，没有TIM失真产生。

 

图47是结型场效应管驱动双极性晶体管的缓冲器的TIM失真测试电路的输出波形频谱，没有TIM失真产生。

　　综合比较这4种缓冲器电路，恒流源菱形缓冲器在各方面的性能表现几乎都优于其他的缓冲器电路。使用电路仿真软件在计算机上傲电路实验相当方便，本文所做的实验大都只观察电路的输出端，其实电路仿真软件可以很方便、很迅速的观察电路中每一个电路节点的电压和电流参数，以及电路中每一个元件的状态，由于篇幅所限无法一一展示在本文中，读者可以在计算机上做详细的电路仿真实验，以便深入认识菱形缓冲器电路的工作原理。