一種元器件數(shù)量少的高性能分立式匹配晶體管緩沖器的設(shè)計(jì)

x1電壓放大器或“緩沖器”是模擬設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建模塊。本文介紹了一種元器件數(shù)量少的高性能分立式匹配晶體管緩沖器的設(shè)計(jì)，并涵蓋優(yōu)化其設(shè)計(jì)的一些細(xì)節(jié)。

在用一個(gè)運(yùn)算放大器就可以輕松實(shí)現(xiàn)緩沖器的時(shí)代，為什么要使用分立電路？當(dāng)高精度和最小空間不是特別重要的指標(biāo)時(shí)，零件成本為50美分的雙JFET放大器足以滿足性能要求，它可提供數(shù)百兆赫的帶寬，偏移誤差僅10mV或更低，漂移為10μV/oC或更少。通過(guò)應(yīng)用創(chuàng)新，分立元件電路也可以獲得良好的性能，即使運(yùn)算放大器過(guò)時(shí)仍然可以使用。緩沖器也可以成為設(shè)計(jì)庫(kù)的一個(gè)重要部分。

緩沖放大器電路

x1電壓放大器的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)這樣的理想電壓放大器：無(wú)限大的輸入阻抗、零輸出阻抗和線性度。為了實(shí)現(xiàn)高輸入阻抗，使用JFET而不是BJT，如圖1的緩沖電路所示。

圖1：為了實(shí)現(xiàn)高輸入阻抗，使用JFET而不是BJT。

離散JFET器件可從多家供應(yīng)商獲得，包括：

·Linear Systems

·仙童（現(xiàn)在的安森美半導(dǎo)體）

·飛利浦（現(xiàn)恩智浦）

·東芝

·Vishay Siliconix

盡管單封裝雙器件（如2N3958、2N5196~2N5199，以及2N5564~2N5566等）在熱跟蹤方面具有優(yōu)勢(shì)，為降低成本，我們還是選擇離散JFET器件。低端的雙器件價(jià)格每個(gè)大約4.50美元，最好的則超過(guò)40美元。如果您可以承擔(dān)額外的成本，可以選擇價(jià)格貴的雙器件，因?yàn)樗鼈兊臒岣櫺阅軆?yōu)于離散JFET。

設(shè)計(jì)緩沖器所需要的一些離散N溝道JFET的替代器件包括2N5484~2N5486。2N5485的成本約為每個(gè)0.20美元（批量采購(gòu)數(shù)百個(gè)時(shí)）。其漏極電流的標(biāo)稱(chēng)設(shè)計(jì)值在4~10mA規(guī)定范圍內(nèi)，中值為IDSS = 7mA（IDSS為ID@VGS = 0V）。此外，選擇了兩個(gè)JFET以便使用曲線跟蹤器進(jìn)行匹配?？梢酝ㄟ^(guò)人工將它們分類(lèi)為匹配的IDSS箱，每對(duì)花費(fèi)不到一分鐘的時(shí)間，產(chǎn)生的額外成本為0.10美元(按照美國(guó)勞動(dòng)力成本計(jì)算)。

接下來(lái)，選擇一些標(biāo)準(zhǔn)電源電壓：VDD = +12V，VSS = -5V。這些電源電壓在桌面電腦和儀器中都很常見(jiàn)。

失調(diào)電壓

匹配JFET的第一個(gè)設(shè)計(jì)特征是匹配晶體管的靜態(tài)（dc）跟蹤。如果底部晶體管QL的柵極連接到其源極，則VGS = 0V，漏極電流為IDSS。如果相同的電流通過(guò)QU（帶有開(kāi)路負(fù)載），那么由于它是匹配的，其VGS也是零，并且輸入到輸出之間沒(méi)有電壓失調(diào)。

這一絕妙的設(shè)計(jì)技巧還可以通過(guò)將JFET工作點(diǎn)設(shè)置為零TC點(diǎn)來(lái)改善，其中具有給定ID的VGS的熱漂移在整個(gè)溫度范圍內(nèi)是最小的。對(duì)于JFET，零漂移VGS比夾斷電壓高約0.8V。VGSZ的值是各種溫度的ID線相交的地方。對(duì)于2N5485，這大約為-1.2V，比-2V左右的夾斷電壓高約0.8V。2N5485（Siliconix）的曲線如圖2所示。

圖2：2N5485（Siliconix）的曲線圖。

使用這些值，Rsl = Rsu = Rs = 1.2V/5mA = 240Ω，容差為5％。Rsl上的壓降在波形路徑中通過(guò)匹配電阻器Rsu上的類(lèi)似壓降進(jìn)行補(bǔ)償。為了更好地匹配，這些電阻的容差可以是1％。

熱失真

隨著輸入電壓的變化，兩個(gè)JFET的功耗也會(huì)發(fā)生變化。功率的變化引起硅溫度的變化，這會(huì)導(dǎo)致放大器響應(yīng)中產(chǎn)生熱感應(yīng)電噪聲或“熱”。這種“噪聲”與波形有關(guān)，最好視為熱失真。通過(guò)設(shè)置JFET最大功耗的工作點(diǎn)（op-pt或偏置）可以使JFET的功耗最小，而無(wú)需改變輸入（即在op-pt點(diǎn)）。功率的變化（我們希望最小化）在峰值功率附近最小，其中拋物線的導(dǎo)數(shù)值或斜率最小。

讓JFET的工作點(diǎn) - 靜態(tài)偏置電流為I0。那么上、下晶體管消耗的功率為：

而且：

其中vL是RL上的負(fù)載電壓。功耗的差為：

圖3是利用MathCAD匯制的功耗圖。

圖3：利用MathCAD匯制的功耗圖。

ΔpD最大時(shí)，功率隨vL的變化最小，這是使熱失真最小所需要的。最大差分功率時(shí)的vL值為：

另一個(gè)感興趣的電壓是pu與pl相等時(shí)。在ΔpD = 0W時(shí)求解vL：

在圖3中，vL0 = 5.3V。雖然功耗在此輸出電壓下匹配，但圍繞此值的任何變化都會(huì)導(dǎo)致ΔpD的變化大于vL（max）附近vL的相同變化。因此，優(yōu)選的偏置點(diǎn)是vL（max）。

在圖3中，vL(max) = 1.62V。但是，給定的電路參數(shù)導(dǎo)致靜態(tài)vL為0V。為了調(diào)整JFET上的靜態(tài)電壓，增加了一個(gè)額外的串聯(lián)電阻Rc。一般情況下，讓靜態(tài)輸出電壓為VL。然后在VL處設(shè)置差分功率拋物線的頂點(diǎn)：

求解滿足所需條件的VDD的值：

然后將VL和供電電壓VDD代入下式：

在這個(gè)設(shè)計(jì)中，Rc = 490Ω。Cc繞過(guò)Rc，使得漏極處不會(huì)出現(xiàn)明顯的電壓變化。

匹配BJT緩沖放大器

JFET優(yōu)于BJT，因?yàn)樗哂懈咻斎腚娮韬偷洼斎肫秒娏?。然而，?duì)于相同的溫度系數(shù)（TC），JFET的電流匹配必須比BJT好十倍。這就是為什么JFET輸入運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)規(guī)范通常比BJT的要差。簡(jiǎn)而言之，BJT比JFET匹配得更好。

如果您的緩沖設(shè)計(jì)不需要高輸入電阻，請(qǐng)改用BJT。使用QL的固定基極電壓，必須以稍微不同的方式實(shí)現(xiàn)偏置。這使得QL成為由于VBE（T）而隨溫度漂移的電流源。發(fā)生類(lèi)似漂移的匹配QU具有相同的偏置電流和動(dòng)態(tài)發(fā)射極電阻：

當(dāng)ICL(=IEU)隨溫度變化時(shí)，電阻保持恒定。隨著溫度升高，VBEL降低，ICL升高。同時(shí)，reU隨熱電壓VT增加，但增加的發(fā)射極電流通過(guò)降低reU來(lái)補(bǔ)償。來(lái)自QL的電流TC補(bǔ)償re的變化，這會(huì)影響緩沖器電壓增益。

這里介紹的基本緩沖級(jí)可以通過(guò)跟從互補(bǔ)BJT CC級(jí)來(lái)改進(jìn)，其中消除了NPN和PNP的b-e結(jié)。如果匹配的NPN與QL源串聯(lián)，它將補(bǔ)償隨后的NPN CC級(jí)。