Усилитель каскода

Хотя усилитель C-B (с общей базой) известен более широкой полосой пропускания, чем конфигурация C-E (с общим эмиттером), низкий входной импеданс (10 Ом) C-B является ограничением для многих приложений. Решение состоит в том, чтобы перед каскадом C-B установить каскад C-E с низким коэффициентом усиления, который имеет умеренно высокий входной импеданс (кОм).

Этапы находятся в каскод последовательная конфигурация, в отличие от каскадной конфигурации для стандартной цепи усилителей .

«Трехкаскадный усилитель с общим эмиттером с конденсаторной связью» Конденсаторная связь для примера каскада. Конфигурация каскодного усилителя имеет широкую полосу пропускания и умеренно высокое входное сопротивление.

В каскодном усилителе сочетаются общий эмиттер и общая база. Это эквивалент цепи переменного тока, в котором батареи и конденсаторы заменены короткими замыканиями.

Емкость полосы пропускания и эффект Миллера

Ключом к пониманию широкой полосы пропускания конфигурации каскода является эффект Миллера . . Эффект Миллера - это произведение емкости коллектор-база, ограничивающей полосу пропускания, на коэффициент усиления по напряжению A v . Эта емкость C-B меньше емкости E-B. Таким образом, можно было бы подумать, что емкость C-B будет иметь небольшое влияние. Однако в конфигурации C-E выходной сигнал коллектора не совпадает по фазе с входом на базе. Коллекторный сигнал с обратной емкостной связью противостоит базовому сигналу. Кроме того, обратная связь коллектора в (1-Av) раз больше, чем сигнал базы. Имейте в виду, что Av - отрицательное число для инвертирующего усилителя C-E. Таким образом, малая емкость C-B оказывается в (1+ | Av |) раз больше, чем ее фактическое значение. Это емкостное усиление, уменьшающее обратную связь, увеличивается с увеличением частоты, уменьшая высокочастотную характеристику усилителя C-E.

Приблизительный коэффициент усиления по напряжению усилителя C-E на рисунке ниже составляет -RL / rEE. Ток эмиттера устанавливается на 1.0 мА смещением. REE =26 мВ / IE =26 мВ / 1,0 мА =26 Ом. Таким образом, Av =-RL / REE =-4700/26 =-181. В таблице данных pn2222 указано Ccbo =8 пФ. [FAR] Емкость Миллера равна Ccbo (1-Av). Коэффициент усиления Av =-181, отрицательный, поскольку он инвертирует усиление. Cmiller =Ccbo (1-Av) =8 пФ (1 - (- 181) =1456 пФ

Конфигурация с общей базой не подвержена эффекту Миллера, потому что заземленная база экранирует сигнал коллектора от возврата на вход эмиттера. Таким образом, усилитель C-B имеет лучшую высокочастотную характеристику. Чтобы иметь умеренно высокий входной импеданс, по-прежнему желателен каскад C-E. Ключ состоит в том, чтобы уменьшить усиление (примерно до 1) каскада C-E, что снижает обратную связь C-B эффекта Миллера до 1 · CCBO. Полная обратная связь C-B - это емкость обратной связи 1 · CCB плюс фактическая емкость CCB, всего 2 · CCBO. Это значительное снижение с 181 · CCBO. Емкость Миллера для ступени усиления -2 C-E равна Cmiller =Ccbo (1-Av) =Cmiller =Ccbo (1 - (- 1)) =Ccbo · 2.

Способом уменьшения коэффициента усиления общего эмиттера является уменьшение сопротивления нагрузки. Коэффициент усиления усилителя C-E составляет приблизительно RC / RE. Внутреннее сопротивление эмиттера rEE при токе эмиттера 1 мА составляет 26 Ом. Подробнее о сопротивлении 26 Ом см. В разделе «Получение REE», см. REE. Коллекторная нагрузка RC - это сопротивление эмиттера каскада C-B, нагружающего каскад C-E, снова 26 Ом. Коэффициент усиления усилителя CE составляет примерно Av =RC / RE =26/26 =1. Эта емкость Миллера составляет Cmiller =Ccbo (1-Av) =8pF (1 - (- 1) =16pF. Теперь у нас есть каскад CE с умеренно высоким входным сопротивлением без эффекта Миллера, но без усиления напряжения CE dB. Каскад CB обеспечивает высокий коэффициент усиления по напряжению, AV =-181.Токовое усиление каскода равно β каскада CE, 1 для CB, β в целом. Таким образом, каскод имеет умеренно высокий входной импеданс CE, хорошее усиление и хорошую полосу пропускания ЦБ.

SPICE:каскодирование и общий эмиттер для сравнения.

Каскод против. Сравнение усилителей с общим эмиттером

Версия SPICE как каскодного усилителя, так и для сравнения усилителя с общим эмиттером показана на рисунке выше. Список соединений представлен в таблице ниже. Источник переменного тока V3 управляет обоими усилителями через узел 4. Резисторы смещения для этой схемы рассчитываются в примерном каскоде проблемы.

Формы сигналов SPICE. Обратите внимание, что для наглядности ввод умножается на 10.

Список соединений SPICE для печати входных и выходных напряжений переменного тока.

 * Схема SPICE <03502.eps> из XCircuit v3.20 V1 19 0 10 Q1 13 15 0 q2n2222 Q2 3 2 A q2n2222 R1 19 13 4.7k V2 ​​16 0 1.5 C1 4 15 10n R2 15 16 80k Q3 A 5 0 q2n2222 V3 4 6 SIN (0 0,1 1k) ac 1 R3 1 2 80k R4 3 9 4,7k C2 2 0 10n C3 4 5 10n R5 5 6 80k V4 1 0 11,5 V5 9 0 20 V6 6 0 1,5 .model q2n2222 npn (is =19f bf =150 + vaf =100 ikf =0,18 ise =50p ne =2,5 br =7,5 + var =6,4 ikr =12m isc =8,7p nc =1,2 rb =50 + re =0,4 rc =0,3 cje =26p tf =0,5 n + cjc =11p tr =7n xtb =1,5 kf ​​=0,032f af =1) .tran 1u 5m .AC DEC 10 1k 100Meg .end 

Осциллограммы на рисунке выше показывают работу каскадного каскада. Входной сигнал отображается умноженным на 10, чтобы его можно было отображать вместе с выходами. Обратите внимание, что выходы Cascode, Common-emitter и Va (промежуточная точка) инвертируются по сравнению с входом. И каскодный, и общий эмиттер имеют выходы с большой амплитудой. Точка Va имеет уровень постоянного тока около 10 В, примерно на полпути между 20 В и землей. Сигнал больше, чем можно объяснить усилением C-E, равным 1, это в три раза больше, чем ожидалось.

Каскод и пропускная способность обычного эмиттера

Примечание. Похоже, что в этом разделе страницы есть проблемы, и его необходимо отредактировать. Дополнительную информацию см. В комментариях внизу страницы.

На рисунке выше показаны частотные характеристики каскодного усилителя и усилителя с общим эмиттером. Заявления SPICE, ответственные за анализ переменного тока, взятые из листинга:

 V3 4 6 SIN (0 0,1 1k) ac 1 .AC DEC 10 1k 100Meg 

Обратите внимание, что «ac 1» необходимо в конце инструкции V3. Каскод имеет немного лучшее усиление в средней полосе. Однако мы в первую очередь ищем полосу пропускания, измеренную в точках -3 дБ, ниже среднего коэффициента усиления для каждого усилителя. Это показано вертикальными сплошными линиями на рисунке выше. Также можно распечатать интересующие данные с мускатного ореха на экран, в графическом средстве просмотра SPICE (команда, первая строка):

 мускатный орех 6 -> частота печати db (vm (3)) db (vm (13)) Индексная частота db (vm (3)) db (vm (13)) 22 0,158 МГц 47,54 45,41 33 1,995 МГц 46,95 42,06 37 5,012 МГц 44,63 36,17 

Индекс 22 дает усиление в средней полосе в дБ для каскода vm (3) =47,5 дБ и общего эмиттера vm (13) =45,4 дБ. Из многих напечатанных строк индекс 33 был наиболее близок к снижению на 3 дБ с 45,4 дБ при 42,0 дБ для схемы с общим эмиттером. Соответствующая частота Index 33 составляет примерно 2 МГц, что соответствует ширине полосы частот с общим эмиттером. Индекс 37 vm (3) =44,6 дБ примерно на 3 дБ ниже 47,5 дБ. Соответствующая частота Index37 составляет 5 МГц, это полоса пропускания каскода. Таким образом, каскодный усилитель имеет более широкую полосу пропускания. Нас не беспокоит деградация усиления на низких частотах. Это связано с конденсаторами, которые можно исправить с помощью более крупных. Полоса пропускания 5 МГц в нашем примере с каскодом, хотя и лучше, чем в примере с общим эмиттером, не является образцом для ВЧ (радиочастотного) усилителя. Для большей полосы пропускания следует использовать пару ВЧ- или СВЧ-транзисторов с более низкими межэлектродными емкостями. До изобретения высокочастотного полевого МОП-транзистора с двойным затвором каскодный усилитель BJT можно было найти в ТВ-тюнерах УВЧ (сверхвысокой частоты).

ПРОСМОТР

• каскод Усилитель состоит из каскада с общим эмиттером, нагруженного эмиттером каскада с общей базой.
• Сильно загруженный каскад C-E имеет низкий коэффициент усиления, равный 1, что преодолевает эффект Миллера .
• Каскодный усилитель имеет высокое усиление, умеренно высокий входной импеданс, высокий выходной импеданс и широкую полосу пропускания.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Рабочий лист усилителей BJT класса A