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。
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