De Cascode-versterker

Hoewel de C-B (common-base) versterker bekend staat om een ​​grotere bandbreedte dan de C-E (common-emitter) configuratie, is de lage ingangsimpedantie (10s van Ω) van C-B een beperking voor veel toepassingen. De oplossing is om de CB-trap vooraf te laten gaan door een CE-trap met lage versterking die een matig hoge ingangsimpedantie (kΩs) heeft.

De fasen bevinden zich in een cascode configuratie gestapeld in serie, in tegenstelling tot cascade voor een standaard versterkerketen.

"Condensator gekoppelde drietraps common-emitter versterker" Condensator gekoppeld voor een cascadevoorbeeld. De cascode-versterkerconfiguratie heeft zowel een grote bandbreedte als een redelijk hoge ingangsimpedantie.

De cascodeversterker is een gecombineerde common-emitter en common-base. Dit is een AC-circuitequivalent waarbij batterijen en condensatoren zijn vervangen door kortsluitingen.

Bandbreedtecapaciteit en het Miller-effect

De sleutel tot het begrijpen van de brede bandbreedte van de cascodeconfiguratie is het Miller-effect . Het Miller-effect is de vermenigvuldiging van de bandbreedte die de capaciteit van de collector-basis berooft met spanningsversterking A v . Deze C-B-capaciteit is kleiner dan de E-B-capaciteit. Je zou dus denken dat de CB-capaciteit weinig effect zou hebben. In de C-E-configuratie is het collectoruitgangssignaal echter uit fase met de ingang aan de basis. Het capacitief teruggekoppelde collectorsignaal werkt het basissignaal tegen. Bovendien is de collectorterugkoppeling (1-Av) maal groter dan het basissignaal. Houd er rekening mee dat Av een negatief getal is voor de inverterende CE-versterker. De kleine C-B-capaciteit lijkt dus (1+|Av|) keer groter dan de werkelijke waarde. Deze capacitieve versterkingsreducerende feedback neemt toe met de frequentie, waardoor de hoge frequentierespons van een CE-versterker wordt verminderd.

De geschatte spanningsversterking van de C-E-versterker in het onderstaande figuur is -RL/rEE. De emitterstroom wordt ingesteld op 1,0 mA door voorspanning. REE=26mV/IE =26mV/1,0mA =26 Ω. Dus Av =-RL/REE =-4700/26 =-181. De pn2222-gegevensbladlijst Ccbo =8 pF. [FAR] De capaciteit van de molenaar is Ccbo (1-Av). Versterking Av =-181, negatief omdat het de winst omkeert. Cmiller =Ccbo(1-Av) =8pF(1-(-181)=1456pF

Een common-base configuratie is niet onderhevig aan het Miller-effect omdat de geaarde basis het collectorsignaal afschermt tegen terugkoppeling naar de emitteringang. Een C-B-versterker heeft dus een betere hoge frequentierespons. Om een ​​matig hoge ingangsimpedantie te hebben, is de C-E-trap nog steeds wenselijk. De sleutel is om de versterking (tot ongeveer 1) van de C-E-trap te verminderen, waardoor de Miller-effect C-B-feedback wordt teruggebracht tot 1·CCBO. De totale C-B-terugkoppeling is de terugkoppelcapaciteit 1·CCB plus de werkelijke capaciteit CCB voor een totaal van 2·CCBO. Dit is een aanzienlijke reductie ten opzichte van 181·CCBO. De miller-capaciteit voor een versterking van -2 C-E-trap is Cmiller =Ccbo(1-Av)=Cmiller =Ccbo(1-(-1)) =Ccbo·2.

De manier om de common-emitter-versterking te verminderen, is door de belastingsweerstand te verminderen. De versterking van een CE-versterker is ongeveer RC/RE. De interne emitterweerstand rEE bij 1mA emitterstroom is 26Ω. Voor details over de 26Ω, zie “Afleiding van REE”, zie REE. De collectorbelasting RC is de weerstand van de emitter van de CB-trap die de C-E-trap opnieuw belast, 26Ω. CE-versterkingsversterkerversterking is ongeveer Av =RC/RE=26/26=1. Deze Miller-capaciteit is Cmiller =Ccbo(1-Av) =8pF(1-(-1)=16pF. We hebben nu een matig hoge ingangsimpedantie CE-trap zonder het Miller-effect, maar geen CE dB-spanningsversterking. De CB-trap biedt een hoge spanningsversterking, AV =-181. De huidige versterking van de cascode is β van de CE-trap, 1 voor de CB, β in het algemeen. De cascode heeft dus een matig hoge ingangsimpedantie van de CE, een goede versterking en een goede bandbreedte van de CB.

SPICE:Cascode en common-emitter ter vergelijking.

Cascode versus Common-emitter versterker vergelijking

De SPICE-versie van zowel een cascode-versterker als ter vergelijking, een common-emitter-versterker wordt getoond in het bovenstaande figuur. De netlijst staat in onderstaande tabel. De AC-bron V3 stuurt beide versterkers aan via knooppunt 4. De biasweerstanden voor dit circuit worden berekend in een voorbeeldprobleemcascode.

SPICE golfvormen. Merk op dat Input wordt vermenigvuldigd met 10 voor zichtbaarheid.

SPICE-netlijst voor het afdrukken van AC-ingangs- en uitgangsspanningen.

 *SPICE-circuit <03502.eps> van 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 

De golfvormen in de bovenstaande afbeelding tonen de werking van de cascodetrap. Het ingangssignaal wordt vermenigvuldigd met 10 weergegeven zodat het met de uitgangen kan worden weergegeven. Merk op dat zowel de Cascode-, Common-emitter- als Va-uitgangen (tussenpunt) omgekeerd zijn ten opzichte van de ingang. Zowel de Cascode- als de Common-emitter hebben uitgangen met grote amplitude. Het Va-punt heeft een gelijkstroomniveau van ongeveer 10V, ongeveer halverwege tussen 20V en aarde. Het signaal is groter dan kan worden verklaard door een CE-versterking van 1, het is drie keer groter dan verwacht.

Cascode vs common-emitter banbreedte.

Opmerking:het lijkt erop dat dit gedeelte van de pagina problemen heeft en moet worden herzien. Zie de opmerkingen onderaan de pagina voor meer informatie.

De bovenstaande afbeelding toont de frequentierespons op zowel de cascode- als de common-emitter-versterkers. De SPICE-verklaringen die verantwoordelijk zijn voor de AC-analyse, overgenomen uit de lijst:

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

Merk op dat de "ac 1" nodig is aan het einde van de V3-instructie. De cascode heeft een iets betere mid-band gain. We zijn echter vooral op zoek naar de bandbreedte gemeten op de -3dB-punten, lager dan de middenbandversterking voor elke versterker. Dit wordt weergegeven door de verticale ononderbroken lijnen in de bovenstaande afbeelding. Het is ook mogelijk om de gewenste gegevens van nootmuskaat af te drukken op het scherm, de SPICE grafische viewer (commando, eerste regel):

nootmuskaat 6 -> afdrukfrequentie db(vm(3)) db(vm(13)) Indexfrequentie db(vm(3)) db(vm(13)) 22 0.158MHz 47.54 45.41 33 1.995MHz 46.95 42.06 37 5.012MHz 44.63 36.17 

Index 22 geeft de midband dB-versterking voor Cascode vm(3)=47,5dB en Common-emitter vm(13)=45,4dB. Van de vele gedrukte regels kwam Index 33 het dichtst in de buurt van 3 dB lager dan 45,4 dB bij 42,0 dB voor het Common-emitter-circuit. De corresponderende Index 33-frequentie is ongeveer 2 Mhz, de common-emitter-bandbreedte. Index 37 vm(3)=44.6db is ongeveer 3db lager dan 47.5db. De bijbehorende Index37-frequentie is 5 Mhz, de cascode-bandbreedte. De cascodeversterker heeft dus een grotere bandbreedte. We houden ons niet bezig met de lage frequentiedegradatie van de versterking. Het komt door de condensatoren, die met grotere zouden kunnen worden verholpen. De 5MHz-bandbreedte van ons cascode-voorbeeld, hoewel beter dan het common-emitter-voorbeeld, is niet exemplarisch voor een RF-versterker (radiofrequentie). Voor een hogere bandbreedte moet een paar RF- of microgolftransistors met lagere interelektrodecapaciteiten worden gebruikt. Vóór de uitvinding van de RF-MOSFET met dubbele poort, had de BJT-cascodeversterker kunnen worden gevonden in UHF-tv-tuners (ultrahoge frequentie).

BEOORDELING

• Een cascode versterker bestaat uit een common-emitter-trap die wordt geladen door de emitter van een common-base-trap.
• De zwaarbelaste C-E stage heeft een lage gain van 1, wat het Miller-effect overwint
• Een cascode-versterker heeft een hoge versterking, een matig hoge ingangsimpedantie, een hoge uitgangsimpedantie en een hoge bandbreedte.

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Werkblad Klasse A BJT-versterkers