DiamondBuffer探秘.docx
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DiamondBuffer探秘.docx
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DiamondBuffer探秘
DiamondBuffer探秘
DiamondBuffer探秘
前言......
以前在我學生時代,基於對電子電路的興趣與愛好,很喜歡研究各種電子電路,經常在腦子裏思考研究各種電路設計的動作原理和優缺點,並進一步推想各種改進電路的方法,而且省吃儉用存錢買零件回來實際加以實驗驗證。
剛開始,一些基本簡單的電路實驗,借用學校的儀器設備,還可以順利進行。
但漸漸對電子電路研究得更深入,很多實驗需要價格高昂的儀器設備才能進行,因此很多關於電路設計的推論,只能在腦子裏空想,難以實際進行實驗驗證。
當年我曾研究思考過DiamondBuffer電路,對DiamondBuffer電路的設計有一些想法,但欠缺價格高昂的儀器設備來進行實驗。
如今,我仍然欠缺價格高昂的儀器設備,但是拜電腦科技發達所賜,電路實驗可以運用電路模擬軟體在電腦上來進行,因此我對DiamondBuffer電路設計的一些想法,可以一一在電腦上實驗印證。
本文將採用OrCadPSPICE這個電路模擬軟體,針對六種DiamondBuffer電路及一種用JFET驅動BJT的Buffer電路進行一系列的實驗,詳細探討比較各種DiamondBuffer電路在各方面的性能。
基本上,這篇文章算是一篇實驗報告。
我儘可能將實驗的過程鉅細靡遺地加以紀錄,整個過程冗長繁瑣,請各位讀者務必詳細比較每一張圖之間的差異,並深入思考這些差異所代表的意義。
相信經由這一篇實驗報告,一定可以讓各位更深入、更徹底的了解DiamondBuffer電路,進而從電路的微妙變化中,對DiamondBuffer電路有完全嶄新的認識。
DiamondBuffer的演化......
最基本的緩衝器Buffer電路是像【圖1】所示的電晶體射極隨耦器。
這樣的射極隨耦器電路的輸入與輸出之間的直流電位相差了一個電晶體射極PN接面的順向壓降。
因此將NPN型電晶體與PNP型電晶體接成單端互補推挽輸出型式時,必須像【圖2】的電路那樣,加上D1、D2兩個二極體做為輸出電晶體的偏壓,用來抵消電晶體射極PN接面的順向壓降,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D1、D2兩個二極體做為輸出電晶體的偏壓,如果用電晶體射極PN接面取代二極體做為輸出電晶體的偏壓,便形成了【圖3】的電路。
由於二極體沒有電流放大作用,而電晶體則具有電流放大作用,因此【圖3】的電路比【圖2】的電路的輸入阻抗更高,成為更理想的緩衝器Buffer電路。
【圖3】的電路由於四個電晶體成菱形排列,因而稱之為DiamondBuffer。
【圖1】
【圖2】
】【圖3
頻率響應......
在實用上,由於不同電晶體之間,射極PN接面的順向壓降會有相當大的誤差,而且容易受溫度影響,因此在電路設計時,【圖3】這個電路中,各個電晶體的工作電流難以掌握,所以除了IC內部的電路之外,實際上用分立元件組成的DiamondBuffer電路是像【圖4】這個樣子,在四個電晶體的射極加上射極電阻,用來穩定各個電晶體的工作電流,這是最基本的DiamondBuffer電路。
【圖4】
我把電路的工作電流設定為前面驅動的兩個電晶體工作電流約在4mA,後面輸出的兩個電晶體工作電流約在15mA,如【圖5】所示。
【圖5】顯示的只是這個電路各個節點的靜態電流,又稱為電路的偏流(bias)。
偏流的目的是為了讓電晶體這一類非線性元件,可以工作在設計者所設定的一個較線性的區域。
【圖5】
這個基本的DiamondBuffer電路用OrCadPSPICE模擬出來的頻率響應和相位響應如【圖6】所示。
圖中的綠線為頻率響應曲線,縱軸的單位為dB。
紅線為相位響應曲線,縱軸的單位為角度(?
)。
從【圖6】可以很明顯看出這個基本的DiamondBuffer電路的增益比0dB略小一些,也就是說它的增益略小於1,其原因除了電晶體射極內阻的影響之外,主要是R1、R2的分壓以及R8、R9的分壓所導致。
但R1、R9是提供Q2、Q5射極偏流所必須,如果R1、R9改成高阻抗的恆流源將可以改善此一缺點。
【圖6】
如果把【圖4】中的Q2、Q5改成SziklaiPair電路就成為【圖7】的電路。
SziklaiPair電路又稱為互補式達靈頓電路。
雙極性電晶體的集極電流與基極電流的比值通常稱為β值,代表著雙極性電晶體的電流增益特性。
將兩個電晶體接成達靈頓電路或SziklaiPair電路,可以相當於一個β值超高的電晶體。
達靈頓電路或SziklaiPair電路的β值約為兩個電晶體β值的乘績,如果兩個電晶體的β值相等,則達靈頓電路或SziklaiPair電路的總β值為兩個電晶體個別β值的平方。
達靈頓電路或SziklaiPair電路的缺點就是電晶體的漏電電流也變成β倍,電晶體集極與射極間的阻抗減小為1/β。
達靈頓電路與SziklaiPair電路的比較:
達靈頓電路將兩個雙極性電晶體的射極接面串聯,使得射極接面的順向電壓加倍。
SziklaiPair電路的射極接面的順向電壓則沒有加倍。
達靈頓電路的前一個電晶體是以電晶體三種基本放大電路組態中的共集極組態去驅動後一個電晶體,所以達靈頓電路本身兩個電晶體都是射極隨耦器的形式。
SziklaiPair電路的前一個電晶體則是以共射極組態去驅動後一個電晶體,並且後一個電晶體又以共射極組態輸出至前一個電晶體的射極,形成“環路負回授”所以SziklaiPair電路本身兩個電晶體都是共射極組態的形式。
而電晶體三種基本放大電路組態中,共射極組態的輸出延遲最嚴重,因此SziklaiPair電路的缺點為輸出延遲較嚴重,高頻工作較不穩定、容易自激。
【圖7】
我第一眼看到【圖7】這個SziklaiDiamondBuffer電路的感覺是:
R1、R9決定兩個SziklaiPair的偏流,如果SziklaiPair的偏流為4mA,電晶體的β值為200,那麼Q2、Q5的偏流不就只剩下20μA而已,比電晶體的漏電電流大不了多少~SziklaiPair電路又是兩個共射極組態形成“環路負回授”,如果有大振幅、迴轉率很高、變化速度很快的訊號輸入,由於SziklaiPair電路前一個電晶體的輸出延遲,導致後一個電晶體較慢反應,那麼SziklaiPair電路前一個電晶體很容易在輸入訊號高速變化的瞬間發生截止,也就是在“環路負回授”中發生瞬間輸入過荷而產生“瞬態互調失真TIM”。
由於SziklaiPair電路的輸入電晶體射極接面流過的電流太小,射極接面的順向電壓較小,為了讓【圖7】維持跟【圖4】大小相當的偏流,因此R2、R8的阻值必須加大。
這個電路的偏流如【圖8】所示。
【圖8】
R2、R8的阻值加大,使得R1、R2的分壓以及R8、R9的分壓所造成的增益下降更嚴重~從【圖9】這個SziklaiDiamondBuffer電路的頻率響應和相位響應中可以看出,其增益比【圖4】電路更低。
其頻寬也遠低於【圖4】電路的頻率響應和相位響應。
【圖9】的頻率響應高頻端的大幅突起也顯示SziklaiPair電路的輸出延遲較嚴重,高頻工作較不穩定、容易自激。
【圖9】
【圖7】的電路中,Q2、Q5偏流太小的問題可以用【圖10】的方式解決。
【圖10】
【圖10】的電路中,各節點的偏流如【圖11】所示。
Q2、Q5的偏流大了一些,射極接面的順向電壓也大了一點,所以R2、R8的阻值改成31Ω。
【圖11】
【圖12】為【圖10】的頻率響應和相位響應。
其頻寬雖然變寬了,但R1、R2的分壓以及R8、R9的分壓所造成的增益下降的問題仍然很明顯。
高頻的諧振點移到更高的頻率。
【圖12】
【圖13】跟【圖10】的差異在於【圖13】將R2、R8納入SziklaiPair電路的“環路負回授”之中。
【圖13】
【圖13】的電路中,各節點的偏流如【圖14】所示。
流過R2、R8的電流減少,所以R2、R8的阻值改成86Ω。
【圖14】
【圖13】的電路中,R2、R8的阻值雖然加大,但由於“環路負回授”使輸出阻抗變小,所以從【圖15】這個頻率響應和相位響應曲線圖中可以看出,【圖13】的電路的電壓增益比起【圖4】、【圖7】、【圖10】等電路更接近0dB~R1、R2的分壓以及R8、R9的分壓所造成的增益下降的問題反而大幅減輕。
【圖15】
將【圖4】這個最基本的DiamondBuffer電路的R1、R9改成高阻抗的恆流源則成為【圖16】的電路。
【圖16】
【圖16】的電路各個節點的偏流如【圖17】所示。
【圖17】
【圖18】為【圖16】的頻率響應和相位響應。
恆流源的高阻抗使得電壓增益相當接近0dB。
圖中頻率響應高頻端的突起是恆流源的電晶體極際電容所造成,通常可以在恆流源電晶體的集極串個電阻來減少電晶體極際電容的影響,但恆流源電晶體的集極串個電阻也會減少恆流源有效工作的電壓範圍。
【圖18】
【圖16】的電路算是最普遍、最典型的DiamondBuffer電路,但DiamondBuffer的輸出晶體的驅動電流被電路中的恆流源所限制,因此我突發奇想畫了【圖19】的電路,將【圖16】電路中的恆流源改成電流鏡,目的是讓輸出晶體的驅動電流可以隨著輸出電流的變大而變大,讓DiamondBuffer更能應付大電流輸出,這是我對DiamondBuffer電路的創意之一。
【圖19】
【圖19】的電路是沒辦法工作的~因為電路中Q2的偏流是由Q5的集極電流經電流鏡反射來提供,反過來Q5的偏流是由Q2的集極電流經電流鏡反射來提供,但Poweron之後Q2、Q5並不會自己導通,那麼電流鏡也沒有電流,這樣一來整個電路都處
於截止狀態、沒有電流。
為了啟動電路,我再畫了【圖20】的電路,加了R12這個電阻,讓電流鏡在Q2、Q5截止時仍會有一些電流,這是我對DiamondBuffer電路的創意之二。
【圖20】
【圖20】的電路仍然是沒辦法工作的~因為【圖20】的電路啟動了之後,電路的電流就會無法控制的一直增加,而致電路燒
21】的電路,將Q2、Q5射極電阻的電壓箝制住,Q2、Q5的偏流便穩定下來,電流鏡毀~為了控制電路的偏流,我又畫了【圖
的電流也跟著固定,這是我對DiamondBuffer電路的創意之三。
【圖21】的電路可以說是我所發明的一個新的DiamondBuffer電路。
我原本想用順向電壓約1.5V的紅色LED來箝制Q2、Q5射極電阻的電壓,但是我並沒有紅色LED的SpiceModel,只好找兩個1N4148跟一個SB05-09的蕭特基二極體湊出約1.5V的壓降來進行模擬,若實際製作電路時將會採用紅色LED。
【圖21】
【圖21】的電路各個節點的偏流如【圖22】所示。
電流鏡的電流增益設定在兩倍左右。
【圖22】
【圖23】為【圖21】的頻率響應和相位響應。
頻寬跟使用恆流源的DiamondBuffer相當,電壓增益也相當接近0dB,只是高頻端的突起高了些。
【圖23】
【圖24】為使用JFET驅動雙極性電晶體的Buffer電路,利用JFET的G極與S極的PN接面要逆偏,雙極性電晶體基極與射極的PN接面則要順偏,湊起來就成為一個既簡單又性能優異的Buffer電路。
這種電路由於不會像一般的DiamondBuffer的輸出晶體的驅動電流被電路中的限流電阻或恆流源所限制,所以其迴轉率遠高於一般的DiamondBuffer電路,但是它的迴轉率未必會高於【圖21】我所發明的新DiamondBuffer電路~這一點將會在方波響應的實驗中證實。
【圖24】
【圖24】的電路各個節點的偏流如【圖25】所示。
設計這種電路時必須注意選用的JFET的Vgs(off)要大於輸出電晶體射極接面的電壓加上射極電阻的壓降,不然JFET還沒能驅動雙極性電晶體就已經截止了~
【圖25】
【圖26】為【圖24】的頻率響應和相位響應。
頻寬雖然稍微窄了一點點,但頻率響應相當平順,沒有突起,電壓增益也相當接近0dB。
【圖26】
電源斥拒比PSRR......
任何電路的電源都難免會有漣波或突波、雜訊,為了防止電源的漣波、突波或雜訊影響到輸出訊號,一個好的放大電路或Buffer必須要有很高的“電源斥拒比PSRR”。
這幾個電路都是用正負雙電源,所以我設計了三種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訊號,但正負電源所加的交流干擾訊號的相位相同。
第三種也是正負電源都加交流干擾訊號,但正負電源所加的交流干擾訊號的相位相反。
【圖27】是最基本的四個電晶體組成的DiamondBuffer,只將交流干擾信號加在正電源,負電源不加交流干擾信號,Buffer的輸入端短路到地。
【圖28】是其輸出端對電源交流干擾訊號所產生的頻率響應。
這個最基本的四個電晶體組成的DiamondBuffer的PSRR大約只有接近46dB而已,而且在1MHz左右開始劣化。
這個電路影響PSRR的主要原因是R1、R2的分壓以及R8、R9的分壓所導致,如果R1、R9改成高阻抗的恆流源將可以改善這個電路的PSRR。
【圖27】
【圖28】
【圖29】是第一種SziklaiDiamondBuffer,只將交流干擾信號加在正電源,負電源不加交流干擾信號,Buffer的輸入端短路到地。
【圖30】是其輸出端對電源交流干擾訊號所產生的頻率響應。
這個SziklaiDiamondBuffer的PSRR比最基本的四個電晶體組成的DiamondBuffer更差,大約只有40dB而已,而且在100KHz左右開始劣化,這跟SziklaiPair電路的高頻特性不佳有關。
這個電路影響PSRR的主要原因跟最基本的四個電晶體組成的DiamondBuffer一樣,是R1、R2的分壓以及R8、R9的分壓所導致。
由於SziklaiPair電路的輸入電晶體射極接面的順向電壓變小,R2、R8必須變大才能維持同樣的偏流,導致PSRR更差。
【圖29】
【圖30】
【圖31】是第二種SziklaiDiamondBuffer,只將交流干擾信號加在正電源,負電源不加交流干擾信號,Buffer的輸入端短路到地。
【圖32】是其輸出端對電源交流干擾訊號所產生的頻率響應。
這個SziklaiDiamondBuffer的PSRR跟最基本的四個電晶體組成的DiamondBuffer差不多,大約為46dB,也是在1MHz左右開始劣化,Q2、Q5的偏流加大讓高頻特性改善不少。
這個電路影響PSRR的主要原因跟最基本的四個電晶體組成的Diamond
Buffer一樣,是R1、R2的分壓以及R8、R9的分壓所導致。
R2、R8雖然比最基本的四個電晶體組成的DiamondBuffer大一些,但SziklaiPair電路的射極輸出阻抗較小,所以維持PSRR不致於變差。
【圖31】
【圖32】
【圖33】是第三種SziklaiDiamondBuffer,只將交流干擾信號加在正電源,負電源不加交流干擾信號,Buffer的輸入端短路到地。
【圖34】是其輸出端對電源交流干擾訊號所產生的頻率響應。
這個SziklaiDiamondBuffer的PSRR較佳,大約接近63dB,在100KHz左右開始劣化,但即使在1MHz,其PSRR仍然較最基本的四個電晶體組成的DiamondBuffer還高。
這個電路R2、R8雖然加大到86Ω,但由於R2、R8包含在SziklaiPair電路的“環路負回授”之中,所以射極輸出阻抗反而更小,所以PSRR性能變好。
【圖33】
【圖34】
【圖35】是改用恆流源的DiamondBuffer,只將交流干擾信號加在正電源,負電源不加交流干擾信號,Buffer的輸入端短路到地。
【圖36】是其輸出端對電源交流干擾訊號所產生的頻率響應。
這個使用恆流源的DiamondBuffer的PSRR更好,達到將近69dB,在100KHz左右開始劣化。
這個電路影響PSRR的主要原因是電晶體C-E極間的阻抗跟Q2、Q5射極電阻的分壓所導致。
【圖35】
【圖36】
【圖37】是我改成電流鏡的DiamondBuffer,只將交流干擾信號加在正電源,負電源不加交流干擾信號,Buffer的輸入端短路到地。
【圖38】是其輸出端對電源交流干擾訊號所產生的頻率響應。
這個改成電流鏡的DiamondBuffer比使用恆流源的DiamondBuffer的PSRR更好一點點,更接近69dB,也在100KHz左右開始劣化。
這個電路影響PSRR的主要原因一樣是電晶體C-E極間的阻抗跟Q2、Q5射極電阻的分壓所導致。
【圖37】
【圖38】
【圖39】是使用JFET驅動雙極性電晶體的Buffer,只將交流干擾信號加在正電源,負電源不加交流干擾信號,Buffer的輸入端短路到地。
【圖40】是其輸出端對電源交流干擾訊號所產生的頻率響應。
這個使用JFET驅動雙極性電晶體的Buffer的PSRR只有58dB而已,也在100KHz左右開始劣化。
這個電路影響PSRR的主要原因是JFETD-S極間的阻抗所導致。
【圖39】
【圖40】
【圖41】是最基本的四個電晶體組成的DiamondBuffer,正負電源都有加交流干擾信號,而且相位相同,Buffer的輸入端短路到地。
【圖42】是其輸出端對電源交流干擾訊號所產生的頻率響應。
這個最基本的四個電晶體組成的DiamondBuffer的PSRR從接近46dB降到40dB不到。
因為正負電源都加的交流信號相位相同,使得輸出端的訊號增加所致。
【圖41】
【圖42】
【圖43】是第一種SziklaiDiamondBuffer,正負電源都有加交流干擾信號,而且相位相同,Buffer的輸入端短路到地。
【圖44】是其輸出端對電源交流干擾訊號所產生的頻率響應。
這個第一種SziklaiDiamondBuffer的PSRR從接近40dB降到34dB。
【圖43】
【圖44】
【圖45】是第二種SziklaiDiamondBuffer,正負電源都有加交流干擾信號,而且相位相同,Buffer的輸入端短路到地。
【圖46】是其輸出端對電源交流干擾訊號所產生的頻率響應。
這個第二種SziklaiDiamondBuffer的PSRR從46dB降到40dB。
【圖45】
【圖46】
【圖47】是第三種SziklaiDiamondBuffer,正負電源都有加交流干擾信號,而且相位相同,Buffer的輸入端短路到地。
【圖48】是其輸出端對電源交流干擾訊號所產生的頻率響應。
這個第三種SziklaiDiamondBuffer的PSRR從63dB降到57dB。
【圖47】
【圖48】
【圖49】是改用恆流源的DiamondBuffer,正負電源都有加交流干擾信號,而且相位相同,Buffer的輸入端短路到地。
【圖50】是其輸出端對電源交流干擾訊號所產生的頻率響應。
這個改用恆流源的DiamondBuffer的PSRR從69dB降到64dB。
【圖49】
【圖50】
【圖51】是改成電流鏡的DiamondBuffer,正負電源都有加交流干擾信號,而且相位相同,Buffer的輸入端短路到地。
【圖52】是其輸出端對電源交流干擾訊號所產生的頻率響應。
這個改成電流鏡的DiamondBuffer的PSRR從69dB降到64dB。
【圖51】
【圖52】
【圖51】是使用JFET驅動雙極性電晶體的Buffer,正負電源都有加交流干擾信號,而且相位相同,Buffer的輸入端短路到
地。
【圖52】是其輸出端對電源交流干擾訊號所產生的頻率響應。
這個使用JFET驅動雙極性電晶體的Buffer的PSRR從58dB降到55dB。
【圖53】
【圖54】
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,但相位相反時又如何呢,請看下面的實驗。
【圖55】是最基本的四個電晶體組成的DiamondBuffer,正負電源都有加交流干擾信號,而且相位相反,Buffer的輸入端短路到地。
【圖56】是其輸出端對電源交流干擾訊號所產生的頻率響應。
這個最基本的四個電晶體組成的DiamondBuffer的PSRR竟然從接近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,使得輸出端的訊號互相抵消所致。
【圖55】
【圖56】
【圖57】是第一種SziklaiDiamondBuffer,正負電源都有加交流干擾信號,而且相位相反,Buffer的輸入端短路到地。
【圖58】是其輸出端對電源交流干擾訊號所產生的頻率響應。
這個第一種SziklaiDiamondBuffer的PSRR從接近40dB增加到80dB。
【圖57】
【圖58】
【圖59】是第二種SziklaiDiamondBuffer,正負電源都有加交流干擾信號,而且相位相反,Buffer的輸入端短路到地。
【圖60】是其輸出端對電源交流干擾訊號所產生的頻率響應。
這個第二種SziklaiDiamondBuffer的PSRR從46dB增加到84dB。
【圖59】
【圖60】
【圖61】是第三種SziklaiDiamondBuffer,正負電源都有加交流干擾信號,而且相位相反,Buffer的輸入端短路到地。
【圖62】是其輸出端對電源交流干擾訊號所產生的頻率響應。
這個第三種SziklaiDiamondBuffer的PSRR從63dB增加到80dB。
【圖61】
【圖62】
【圖63】是改用恆流源的DiamondBuffer,正負電源都有加交流干擾信號,而且相位相反,Buffer的輸入端短路到地。
【圖64】是其輸出端對電源交流干擾訊號所產生的頻率響應。
這個改用恆流源的DiamondBuffer的P
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