Каскодный усилитель: объединение общий эмиттер и общая база для широкой полосы и высокого Zвх

Хотя усилитель с общей базой (ОБ) обеспечивает более широкую полосу пропускания, чем каскад с общим эмиттером (ОЭ), его входное сопротивление — десятки ом — ограничивает применимость. Типичным решением является предварительная ступень с низким усилением по схеме ОЭ, которая предоставляет более высокое входное сопротивление в диапазоне килом.

Ступени расположены в каскодной конфигурации, последовательно соединены, а не каскадированы как в обычной цепи усилителей.

В типичном конденсаторно-связанном трехступенчатом усилителе с общим эмиттером используется каскодная топология. Она обеспечивает и широкую полосу пропускания, и умеренно высокое входное сопротивление.

Каскодный усилитель объединяет каскад с общим эмиттером и каскад с общей базой. В AC-анализе источники питания и разделительные конденсаторы моделируются как короткие замыкания.

Полоса пропускания, емкость и эффект Миллера

Расширенная полоса пропускания каскода обусловлена эффектом Миллера. В каскаде ОЭ коллекторно-базовая емкость (C_cbo) умножается на величину коэффициента усиления по напряжению (A_v). Хотя C_cbo меньше эмиттерно-базовой емкости, коллекторный узел находится в противофазе (180°) относительно базового входа. Обратная связь через C_cbo проявляется как (1 + |A_v|) кратная физическая емкость, ограничивая высокочастотный отклик отдельного усилителя ОЭ.

Приближенное напряженное усиление каскада ОЭ на рисунке ниже равно A_v = –R_L/r_EE. При эмиттерном токе 1,0 мА эмиттерное сопротивление r_EE = 26 мВ/I_E = 26 Ом. Таким образом, A_v = –4700/26 ≈ –181. Даташит pn2222 указывает C_cbo = 8 пФ. Емкость Миллера составляет C_miller = C_cbo(1–A_v) = 8 пФ × (1–(–181)) ≈ 1456 пФ.

Конфигурация с общей базой не подвержена эффекту Миллера, поскольку заземленная база изолирует коллектор от обратной связи к эмиттерному входу. Следовательно, усилитель ОБ демонстрирует превосходную высокочастотную производительность. Для достижения умеренно высокого входного сопротивления с сохранением преимуществ каскада ОЭ, последнее смещают для низкого напряженного усиления около 1. Это снижает мультипликацию Миллера до 2 × C_cbo.

Ключ к снижению усиления ОЭ — уменьшение нагрузочного сопротивления. Напряженное усиление усилителя ОЭ примерно равно R_C/R_E. С внутренним эмиттерным сопротивлением r_EE ≈ 26 Ом при 1 мА и коллекторной нагрузкой R_C, равной эмиттеру каскада ОБ (26 Ом), усиление становится A_v = R_C/R_E ≈ 1. Емкость Миллера тогда уменьшается до C_miller = C_cbo(1–A_v) = 8 пФ × (1–(–1)) = 16 пФ. Теперь у нас есть каскад ОЭ с умеренным входным сопротивлением, пренебрежимым эффектом Миллера и без значимого напряженного усиления. Последующий каскад ОБ обеспечивает высокое напряженное усиление (A_v ≈ –181). Общий коэффициент усиления по току каскода равен β каскада ОЭ, давая надежный общий β.

SPICE: Сравнение каскодного и обычного усилителя с общим эмиттером.

Сравнение каскодного и обычного усилителя с общим эмиттером

Нижеприведенное SPICE-моделирование сравнивает каскодный усилитель со стандартным усилителем с общим эмиттером. AC-источник V3 управляет обеими ступенями через узел 4. Смещающие резисторы рассчитаны как в примере задачи.

SPICE-волны. Обратите внимание: входной сигнал умножен на 10 для наглядности.

SPICE-нетлист для вывода AC входных и выходных напряжений.

 *SPICE circuit <03502.eps> from XCircuit v3.20
V1 19 0 10
Q1 13 15 0 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=0.5n
+ cjc=11p tr=7n xtb=1.5 kf=0.032f af=1)
.tran 1u 5m
.AC DEC 10 1k 100Meg
.end

Волновые формы иллюстрируют поведение каскода. Входной сигнал показан увеличенным в десять раз для ясности. Оба выхода — каскода и обычного ОЭ — инвертированы относительно входа, и каскод достигает слегка более высокого среднеполосного усиления. На графиках частотных характеристик ниже изображены точки –3 дБ для каждого усилителя.

Примечание: Этот раздел может содержать неточности и требует пересмотра. Обратитесь к комментариям внизу страницы для получения дополнительных сведений.

На рисунке ниже показана частотная характеристика обоих усилителей. Команды SPICE, отвечающие за AC-анализ, извлечены из листинга:

V3 4 6 SIN(0 0.1 1k) ac 1
.AC DEC 10 1k 100Meg

Каскод демонстрирует незначительно лучшее среднеполосное усиление. По точкам –3 дБ каскод достигает примерно 5 МГц, в то время как обычный ОЭ ограничивается около 2 МГц. Таким образом, каскод обеспечивает более широкую полосу пропускания. Низкочастотный спад определяется разделительными конденсаторами и может быть сглажен увеличением их емкости. Для РЧ-приложений рекомендуется пара транзисторов с низкими межэлектродными емкостями для достижения еще более высокой полосы. Исторически BJT-каскодные усилители применялись в УВЧ-тюнерах телевизоров до появления двух затворных MOSFET.

Обзор

• Каскодный усилитель состоит из каскада с общим эмиттером, нагруженного эмиттером каскада с общей базой.
• Сильно нагруженный каскад ОЭ имеет низкое усиление (~1), что смягчает эффект Миллера.
• Каскодный усилитель обеспечивает высокое напряженное усиление, умеренное входное сопротивление, высокое выходное сопротивление и широкую полосу пропускания.

Связанные рабочие листы

• Рабочий лист по усилителям класса А на биполярных транзисторах