Электроника:Полупроводники/Биполярные транзисторы/Каскодный усилитель

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 656.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Каскодный усилитель[1]

Хотя усилитель ОБ (с общей базой) отличается более широкой полосой пропускания, в сравнении с конфигурацией ОЭ (с общим эмиттером), низкий входной импеданс (10 Ом) ОБ является ограничением для многих приложений. Решение состоит в том, чтобы перед каскадом ОБ установить каскад ОЭ с низким коэффициентом усиления, который имеет умеренно высокий входной импеданс (измеряемый в килоомах).

Эти каскады объединены в каскодную конфигурацию, соединённую последовательно, в отличие от чистой каскадной конфигурации стандартных усилительных схем. Примером каскада с подключённым конденсатором служит «трёхкаскадный усилитель с общим эмиттером и конденсаторной связью». Что до каскодного усилителя, то его конфигурация имеет широкую полосу пропускания и умеренно высокий входной импеданс.

Рис. 1. В каскодном усилителе используется комбинация усилителя с общим эмиттером и усилителя с общей базой. Это эквивалент цепи переменного тока, в которой батареи и конденсаторы заменены короткими замыканиями.
Рис. 1. В каскодном усилителе используется комбинация усилителя с общим эмиттером и усилителя с общей базой. Это эквивалент цепи переменного тока, в которой батареи и конденсаторы заменены короткими замыканиями.

Ёмкость полосы пропускания и эффект Миллера

Ключом к пониманию широкой полосы пропускания каскодной конфигурации является эффект Миллера. Он заключается в том, что ёмкость коллектор/база, ограничивающая полосу пропускания, умножается на коэффициент усиления по напряжению AV. Эта ёмкость меньше ёмкости эмиттер/база. Может показаться, что ёмкость ОБ оказывает небольшое влияние. Однако в конфигурации ОЭ выходной сигнал коллектора не совпадает по фазе с входом на базе. Коллекторный сигнал с обратной ёмкостной связью противодействует сигналу базы. Более того, обратная связь коллектора в (1 - AV) раз больше, чем сигнал базы. Имейте в виду, что AV – отрицательное число для инвертирующего усилителя ОЭ. Таким образом, малая ёмкость ОЭ оказывается в (1 + |AV|) раз больше, чем её фактическое значение. Это ёмкостное усиление, уменьшающее обратную связь, увеличивается с увеличением частоты, уменьшая высокочастотную характеристику усилителя ОЭ.

Приблизительное усиление по напряжению усилителя ОЭ на рисунке ниже составляет -RНагрузка/rЭ. Смещение устанавливает эмиттерный ток на 1,0 мА. rЭ = 26 мВ / IЭ = 26 мВ / 1,0 мА = 26 Ом. Таким образом, AV = -RНагрузка/ rЭ = -4700/26 = -181. В техдокументации для pn2222 указано CКБ = 8 пФ. Ёмкость Миллера равна CКБ × (1 - AV). Усиление AV = -181, т.е. отрицательное, так как это инвертирующее усиление. CМиллер = CКБ × (1 - AV) = 8 пФ × (1 - (- 181)) = 1456 пФ.

Конфигурация с общей базой не подвержена эффекту Миллера, потому что заземлённая база экранирует сигнал коллектора от возврата на вход эмиттера. Таким образом, усилитель ОБ имеет лучшую высокочастотную характеристику. Чтобы иметь умеренно высокий входной импеданс, всё же желательно использовать каскад ОЭ. Тут главное уменьшить усиление (примерно до 1) каскада ОЭ, что снижает обратную связь ОБ за счёт эффекта Миллера до 1 × CКБ. Полная обратная связь ОБ – это ёмкость обратной связи 1 × CКБ плюс фактическая ёмкость CКБ, т.е. всего 2 × CКБ. Это значительное снижение с 181 × CКБ. Ёмкость Миллера для коэффициента усиления -2 в каскаде ОЭ равна CМиллер = CКБ × (1 - AV) = CМиллер = CКБ × (1 - (- 1)) = CКБ × 2.

Уменьшение сопротивления нагрузки способствует уменьшению коэффициента усиления общего эмиттера. Коэффициент усиления ОЭ составляет примерно RК / RЭ. Внутреннее сопротивление эмиттера rЭ при токе эмиттера 1 мА составляет 26 Ом. О том как получены эти 26 Ом показано двумя абзацами выше. Коллекторная нагрузка RК – это сопротивление эмиттера каскада выключателя, нагружающего каскад ОЭ, он и тут равен 26 Ом. Коэффициент усиления усилителя ОЭ составляет примерно AV = RК / RЭ = 26 / 26 = 1. Эта ёмкость Миллера составляет CМиллер = CКБ × (1-AV) = 8 пФ × (1 - (- 1)) = 16 пФ. Теперь у нас есть каскад ОЭ с умеренно высоким входным сопротивлением без эффекта Миллера, но без усиления напряжения. ОЭ обеспечивает высокий коэффициент усиления по напряжению, AV = -181. Усиление по току каскода равно β каскада ОЭ умноженное на 1 для ОБ, т.е. β в целом. Таким образом, каскод имеет умеренно высокий входной импеданс ОЭ, хорошее усиление и хорошую полосу пропускания ОБ.

Сравниваем каскод и усилительный каскад с общим эмиттером

Рис. 2. Схема для анализа в SPICE: (а) каскод; (б) усилитель с общим эмиттером.
Рис. 2. Схема для анализа в SPICE: (а) каскод; (б) усилитель с общим эмиттером.

Это схемы для SPICE, чтобы сравнить каскодный усилитель и усилительный каскад с общим эмиттером. Само моделирование приведено ниже. Источник переменного тока V3 управляет обоими усилителями через узел 4. Резисторы смещения для этой схемы рассчитаны отдельно.

Моделирование в SPICE с печатью входных и выходных напряжений переменного тока:

Рис. 3. График SPICE по результатам работы программы. Обратите внимание, что для наглядности входное напряжение умножается на 10.
Рис. 3. График SPICE по результатам работы программы. Обратите внимание, что для наглядности входное напряжение умножается на 10.
*SPICE circuit <03502.eps> from 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=0.5n
+ cjc=11p tr=7n xtb=1.5 kf=0.032f af=1)
.tran 1u 5m
.AC DEC 10 1k 100Meg
.end

Формы сигналов на графике показывают работу каскодного каскада. Входной сигнал отображается умноженным на 10, чтобы его можно было отображать вместе с выходами. Обратите внимание, что как для каскода, так и для каскада с общим эмиттером выходное VA (являющееся промежуточным) инвертируются по сравнению с входом. И каскод, и каскад с общим эмиттером имеют выходные сигналы с большой амплитудой. Точка VA имеет уровень постоянного тока около 10 В, это где-то посередине между 20 В и заземлением. Т.е. сигнал троекратно больше, чем ожидалось от усиления ОЭ, равное 1.

Рис. 4. Сравнение ширины полосы пропускания для каскода и для каскада с общим эмиттером.
Рис. 4. Сравнение ширины полосы пропускания для каскода и для каскада с общим эмиттером.

На графике показаны частотные характеристики каскодного усилителя и каскадного усилителя с общим эмиттером. Вот объявления 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 с 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 с помощью вертикальных сплошных линий на графике (рисунок 4 выше). Также через командную строку можно интересующие нас данные с помощью модуля NutMeg вывести на экран:

nutmeg 6 -> print frequency db(vm(3)) db(vm(13))
Индекс Частота дБ(vm(3)) дБ(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 даёт 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 индекса 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 чем 47,5 дБ. Соответствующая частота для 37 составляет 5 МГц, это полоса пропускания каскода. Таким образом, каскодный усилитель имеет более широкую полосу пропускания. Нас не беспокоит деградация усиления на низких частотах. Можно просто взять более мощные конденсаторы, чтобы этого избежать. Полоса пропускания 5 МГц в нашем примере с каскодом, хотя и лучше, чем в примере с общим эмиттером, не является образцом для ВЧ-усилителя (т.е. работающего на радиочастах). Для большей полосы пропускания следует использовать пару ВЧ- или СВЧ-транзисторов с более низкими межэлектродными ёмкостями. До изобретения высокочастотного полевого МОП-транзистора с двойным затвором каскодный усилитель можно было найти в ТВ-тюнерах УВЧ (т.е. работающих на сверхвысоких частотах).

Итог

  • Каскодный усилитель состоит из каскадного усилителя с общим эмиттером, нагруженного каскадным усилителем с общей базой.
  • Высоконагруженный каскад ОЭ имеет низкий коэффициент усиления 1, что позволяет преодолеть эффект Миллера.
  • Каскодный усилитель имеет высокое усиление, умеренно высокий входной импеданс, высокий выходной импеданс и широкую полосу пропускания.

См.также

Внешние ссылки