Diamond Buffer 探密

wensan

Diamond Buffer 探密







前言......

以前在我学生时代，基于对电子电路的兴趣与爱好，很喜欢研究各种电子电路，经常在脑子里思考研究各种电路设计的动作原理和优缺点，并进一步推想各种改进电路的方法，而且省吃俭用存钱买零件回来实际加以实验验证。

刚开始，一些基本简单的电路实验，借用学校的仪器设备，还可以顺利进行。但渐渐对电子电路研究得更深入，很多实验需要价格高昂的仪器设备才能进行，因此很多关于电路设计的推论，只能在脑子里空想，难以实际进行实验验证。

当年我曾研究思考过 Diamond Buffer电路，对 Diamond Buffer电路的设计有一些想法，但欠缺价格高昂的仪器设备来进行实验。如今，我仍然欠缺价格高昂的仪器设备，但是拜计算机科技发达所赐，电路实验可以运用电路仿真软件在计算机上来进行，因此我对 Diamond Buffer电路设计的一些想法，可以一一在计算机上实验印证。

本文将采用 OrCad PSPICE这个电路仿真软件，针对六种 Diamond Buffer电路及一种用 JFET驱动 BJT的 Buffer电路进行一系列的实验，详细探讨比较各种 Diamond
Buffer电路在各方面的性能。

基本上，这篇文章算是一篇实验报告。我尽可能将实验的过程巨细靡遗地加以纪录，整个过程冗长繁琐，请各位读者务必详细比较每一张图之间的差异，并深入思考这些差异所代表的意义。相信经由这一篇实验报告，一定可以让各位更深入、更彻底的了解 Diamond
Buffer电路，进而从电路的微妙变化中，对 Diamond Buffer电路有完全崭新的认识。


　
Diamond Buffer的演化......

最基本的缓冲器 Buffer电路是像【图 1】所示的晶体管射极随耦器。

这样的射极随耦器电路的输入与输出之间的直流电位相差了一个晶体管射极 PN接面的顺向压降。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，必须像【图 2】的电路那样，加上 D1、D2两个二极管做为输出晶体管的偏压，用来抵消晶体管射极 PN接面的顺向压降，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 D1、D2两个二极管做为输出晶体管的偏压，如果用晶体管射极 PN接面取代二极管做为输出晶体管的偏压，便形成了【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】的电路的输入阻抗更高，成为更理想的缓冲器 Buffer电路。【图 3】的电路由于四个晶体管成菱形排列，因而称之为 Diamond Buffer。


【图 1】


【图 2】


【图 3】


　
频率响应......

在实用上，由于不同晶体管之间，射极 PN接面的顺向压降会有相当大的误差，而且容易受温度影响，因此在电路设计时，【图 3】这个电路中，各个晶体管的工作电流难以掌握，所以除了 IC内部的电路之外，实际上用分立组件组成的 Diamond Buffer电路是像【图 4】这个样子，在四个晶体管的射极加上射极电阻，用来稳定各个晶体管的工作电流，这是最基本的 Diamond Buffer电路。

【图 4】

我把电路的工作电流设定为前面驱动的两个晶体管工作电流约在 4mA，后面输出的两个晶体管工作电流约在 15mA，如【图 5】所示。

【图 5】显示的只是这个电路各个节点的静态电流，又称为电路的偏流(bias)。偏流的目的是为了让晶体管这一类非线性组件，可以工作在设计者所设定的一个较线性的区域。

【图 5】

这个基本的 Diamond Buffer电路用 OrCad PSPICE仿真出来的频率响应和相位响应如【图 6】所示。图中的绿线为频率响应曲线，纵轴的单位为 dB。红线为相位响应曲线，纵轴的单位为角度(°)。

从【图 6】可以很明显看出这个基本的 Diamond Buffer电路的增益比 0 dB略小一些，也就是说它的增益略小于 1，其原因除了晶体管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。但 R1、R9是提供 Q2、Q5射极偏流所必须，如果 R1、R9改成高阻抗的恒流源将可以改善此一缺点。

【图 6】

如果把【图 4】中的 Q2、Q5改成 Sziklai Pair电路就成为【图 7】的电路。

Sziklai Pair电路又称为互补式达灵顿电路。双极性晶体管的集极电流与基极电流的比值通常称为 β 值，代表着双极性晶体管的电流增益特性。将两个晶体管接成达灵顿电路或 Sziklai Pair电路，可以相当于一个 β 值超高的晶体管。达灵顿电路或 Sziklai
Pair电路的 β 值约为两个晶体管 β 值的乘绩，如果两个晶体管的 β 值相等，则达灵顿电路或 Sziklai Pair电路的总 β 值为两个晶体管个别 β 值的平方。达灵顿电路或 Sziklai Pair电路的缺点就

老人家

赞一个.

pot

一定要顶一下呀

drb888

yq777

不知跟这个是否是亲戚,呵呵

wensan

以下是引用yacasu在2005-9-9 11:38:00的发言：
每个图都要点击放大才看得清,看了三几个就晕乎乎了

原始网页在此:http://www.diysong.com/images/diamonbuffer/DiamondBuffer.htm

wensan

是我自己做仿真, 自己写的.

蓝子风

好帖子，分析的透彻~~~一定好支持的~~~

kimax

终于看到最后结论：比较之下是楼主的电流镜动态提供偏流的 Diamond Buffer最好，其次JFET驱动双极性晶体管的 Buffer，第三是恒流源Diamond Buffer？！[em11]

Radeon

大师的文章怎能不顶？

碰碰车

收藏了慢慢看，呵呵。好长啊！

wb136

写的不错，这种精神值得广大烧友学习。

edward

yacasu

每个图都要点击放大才看得清,看了三几个就晕乎乎了

wokaid

晕了

lusson

耐着性子看下来了。。。
有时间试下。
不知道这个是转贴来的还是就是楼主自己写的啊！

samjazz

看来我都要学习仿真了。

狂之又狂

wensan

瞬态互调失真 TIM......

一般的“环路负回授放大器”大致可分成比较输入讯号与回授讯号间误差的差动输入级，放大误差讯号的电压放大级，做电流放大的功率级，三个部分。

电压放大级由于米勒效应的作用，所以动作上类似积分器。做电流放大的功率级则是 Buffer。那么“环路负回授放大器”的简化等效电路模型就如同【图 125】所示。

【图 125】

通常在设计“环路负回授放大器”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“高速瞬时响应”而言，由于输出端无法立即对高速瞬时讯号起反应，造成输入讯号与回授讯号差异太大，超过差动输入级的工作范围，以致于输入级瞬间输入过荷，限制了输出信号的回转率。

对于“无环路负回授放大器”而言，输出信号的回转率限制是在于每一个放大级的频宽有限，每一个放大级都相当于低通滤波器，以致使输出信号的回转率变慢，而非因为输入级瞬间输入过荷所导致。

“瞬态互调失真 TIM”是专门用来描述“环路负回授放大器”输入级瞬间输入过荷所导致的失真情形。

标准的 TIM失真测试方法，是将 3.18KHz的方波跟 15KHz的正弦波以振幅 4:1的比例混合起来，做为待测放大器的输入信号。 3.18KHz方波的 5次谐波为 15.9KHz，跟 15KHz的正弦波相差 900Hz。如果发生“瞬态互调失真 TIM”，待测放大器的输出信号会产生出 900Hz的差频讯号。只要观察待测放大器的输出信号有没有产生 900Hz的差频讯号，便可以判断有没有产生“瞬态互调失真 TIM”。

【图 126】为 OrCAD PSPICE中，将 3.18KHz的方波跟 15KHz的正弦波以振幅 4:1的比例混合起来的电路图，其中 V2这个 3.18KHz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 Netlist文件中加入波形描述。

【图 127】为 3.18KHz的方波跟 15KHz的正弦波以振幅 4:1的比例混合起来的波形。
【图 128】为 3.18KHz的方波跟 15KHz的正弦波以振幅 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突起是软件计算误差所致，这是由于我设定电路仿真时每个 STEP为 0.1μS，如果设定成每个
STEP为 0.01μS，频谱曲线的小突起就不见了，但这样电路仿真所花的时间会非常非常久！由于我的计算机效能不是很高，设定成每个 STEP为 0.01μS常常
RUN到当机。


【图 126】

【图 127】

【图 128】

【图 129】是最基本的四个晶体管组成的 Diamond Buffer的 TIM失真测试电路。
【图 130】是其输出波形的频谱。结果显示并没有 TIM失真产生。


【图 129】

【图 130】

【图 131】是第一种 Sziklai Diamond Buffer的 TIM失真测试电路。
【图 132】是其输出波形的频谱。结果显示 TIM失真非常严重！不但 3.18KHz方波的 5次谐波 15.9KHz跟 15KHz的正弦波的差频 900Hz处有很大的差频讯号，连 3.18KHz方波的 4次谐波 12.72KHz跟 15KHz的正弦波的差频 2.28KHz处也有很大的差频讯号。


【图 131】

【图 132】

【图 133】是第二种 Sziklai Diamond Buffer的 TIM失真测试电路。
【图 134】是其输出波形的频谱。结果显示并没有 TIM失真产生。


【图 133】

【图 134】

【图 135】是第三种 Sziklai Diamond Buffer的 TIM失真测试电路。
【图 136】是其输出波形的频谱。结果显示并没有 TIM失真产生。


【图 135】

【图 136】

【图 137】是改用恒流源的 Diamond Buffer的 TIM失真测试电路。
【图 138】是其输出波形的频谱。结果显示并没有 TIM失真产生。


【图 137】

【图 138】

【图 139】是改成电流镜的 Diamond Buffer的 TIM失真测试电路。
【图 140】是其输出波形的频谱。结果显示并没有 TIM失真产生。


【图 139】

【图 140】

【图 141】是使用 JFET驱

wensan

方波响应......

方波测试其实就是在测试电路的“步阶瞬时响应”。从方波响应可以看出电路的反应速度、稳定性这方面的特性。

在 OrCAD PSPICE上，我都是以脉波来测试电路的“步阶瞬时响应”。

【图 83】是最基本的四个晶体管组成的 Diamond Buffer的“步阶瞬时响应”， 脉波宽度 1μS，振幅 ±10V。
【图 84】是其输出波形。

最基本的四个晶体管组成的 Diamond Buffer的“步阶瞬时响应”，从它的输出波形可以看出其回转率非常高，估计达 1000V/μS以上，只是转角的地方稍有欠缺而已。


【图 83】

【图 84】

【图 85】是第一种 Sziklai Diamond Buffer的“步阶瞬时响应”， 脉波宽度 10μS，振幅 ±10V。
【图 86】是其输出波形。

第一种 Sziklai Diamond Buffer的“步阶瞬时响应”就出现了大问题，显然由于晶体管输出延迟的关系，Sziklai pair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 85】

【图 86】

【图 87】是第二种 Sziklai Diamond Buffer的“步阶瞬时响应”， 脉波宽度 1μS，振幅 ±10V。
【图 88】是其输出波形。

第二种 Sziklai Diamond Buffer的“步阶瞬时响应”虽然比第一种 Sziklai Diamond
Buffer好多了，但上升跟下降波形分段的问题仍然存在。


【图 87】

【图 88】

【图 89】是第三种 Sziklai Diamond Buffer的“步阶瞬时响应”， 脉波宽度 1μS，振幅 ±10V。
【图 90】是其输出波形。

第三种 Sziklai Diamond Buffer的“步阶瞬时响应”跟第二种 Sziklai Diamond Buffer差不多。


【图 89】

【图 90】

【图 91】是改用恒流源的 Diamond Buffer的“步阶瞬时响应”， 脉波宽度 1μS，振幅 ±10V。
【图 92】是其输出波形。

改用恒流源的 Diamond Buffer的“步阶瞬时响应”比最基本的四个晶体管组成的 Diamond Buffer在转角上的欠缺稍微大了些。


【图 91】

【图 92】

【图 93】是改成电流镜的 Diamond Buffer的“步阶瞬时响应”， 脉波宽度 1μS，振幅 ±10V。
【图 94】是其输出波形。

改成电流镜的 Diamond Buffer的“步阶瞬时响应”在转角上不是缺角，而是有些过冲。


【图 93】

【图 94】

【图 95】是使用 JFET驱动双极性晶体管的 Buffer的“步阶瞬时响应”， 脉波宽度 1μS，振幅 ±10V。
【图 96】是其输出波形。

使用 JFET驱动双极性晶体管的 Buffer的“步阶瞬时响应”最理想。


【图 95】

【图 96】

前面做的“步阶瞬时响应”实验可以发现 Buffer的回转率都非常高，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，Buffer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，所以我在这七种 Buffer的负载加上 1000PF的电容，重新做一次“步阶瞬时响应”的实验。

【图 97】是最基本的四个晶体管组成的 Diamond Buffer的“步阶瞬时响应”， 负载加上 1000PF的电容，脉波宽度 1μS，振幅 ±10V。
【图 98】是其输出波形。

负载加上 1000PF的电容，它的输出波形的回转率就降了下来，估计约 70V/μS。


【图 97】

【图 98】

【图 99】是第一种 Sziklai Diamond Buffer的“步阶瞬时响应”， 负载加上 1000PF的电容， 脉波宽度 10μS，振幅 ±10V。
【图 100】是其输出波形。

负载加上 1000PF的电容，第一种 Sziklai Diamond Buffer的“步阶瞬时响应”就更慢了，上升跟下降的波形也明显分段。


【图 99】

【图 100】

【图 101】是第二种 Sziklai Diamond Buffer的“步阶瞬时响应”， 负载加上 1000PF的电容， 脉波宽度 1μS，振幅 ±10V