Cascode Versterker: Combinatie van Common-Emitter en Common-Base voor Brede Bandbreedte en Hoge Invoerimpedantie

Inleiding

Hoewel de common-base (C-B) versterker een bredere bandbreedte biedt dan de common-emitter (C-E) trap, beperkt de invoerimpedantie—tientallen ohms—de bruikbaarheid. Een veelvoorkomende oplossing is de C-B trap vooraf te laten gaan door een lage-versterking C-E driver die een hogere invoerimpedantie in de kilo-ohm regio presenteert.

De trappen zijn in een cascode configuratie gerangschikt, in serie gestapeld in plaats van gecascaded als in een conventionele versterkerketen.

In een typische condensator-gekoppelde, drie-traps common-emitter versterker wordt de cascode topologie toegepast. Het levert zowel een brede bandbreedte als een matig hoge invoerimpedantie.

Een cascode versterker combineert een common-emitter trap met een common-base trap. In AC-analyse worden voedingen en DC-koppelcondensators gemodelleerd als kortsluitingen.

Bandbreedte, Capaciteit en het Millereffect

De uitgebreide bandbreedte van de cascode voort uit het Millereffect. In een C-E trap wordt de collector-basis capaciteit (Ccbo) vermenigvuldigd met de grootte van de spanningswinst (Av). Hoewel Ccbo kleiner is dan de emitter-basis capaciteit, is de collectorknoop 180° uit de fase met de basisinvoer. De terugkoppeling over Ccbo verschijnt als (1 + |Av|) keer de fysieke capaciteit, wat de hoge-frequentie respons van een zelfstandige C-E versterker beperkt.

De benaderde spanningswinst van de C-E versterker in de onderstaande figuur is Av = –RL/rEE. Met een emitterstroom van 1,0 mA is de emitterweerstand REE = 26 mΩ/IE = 26 Ω. Dus Av = –RL/REE = –4700/26 ≈ –181. De pn2222 datasheet geeft Ccbo = 8 pF. De Millercapaciteit is daarom Cmiller = Ccbo(1–Av) = 8 pF × (1–(–181)) ≈ 1456 pF.

Een common-base configuratie wordt niet beïnvloed door het Millereffect omdat de geaarde basis de collector isoleert van terugkoppeling naar de emitter-invoer. Gevolgelijk toont een C-B versterker superieure hoge-frequentie prestaties. Om een matig hoge invoerimpedantie te bereiken terwijl de voordelen van een C-E trap behouden blijven, wordt de C-E trap gebias voor een lage spanningswinst van ongeveer 1. Dit vermindert de Millervermenigvuldiging tot 2 × Ccbo.

De sleutel tot het verlagen van de C-E winst is het verlagen van de lastweerstand. De spanningswinst van een C-E versterker is ongeveer RC/RE. Met de interne emitterweerstand rEE ≈ 26 Ω bij 1 mA, en een collectorlast RC gelijk aan de emitter van de C-B trap (26 Ω), wordt de winst Av = RC/RE ≈ 1. De Millercapaciteit vermindert dan tot Cmiller = Ccbo(1–Av) = 8 pF × (1–(–1)) = 16 pF. We hebben nu een C-E trap met een matige invoerimpedantie, verwaarloosbaar Millereffect en geen significante spanningswinst. De daaropvolgende C-B trap levert de hoge spanningswinst (Av ≈ –181). De totale stroomwinst van de cascode is gelijk aan de β van de C-E trap, wat een robuuste totale β oplevert.

SPICE: Vergelijking Cascode versus Common-Emitter versterker.

Cascode vs. Common-Emitter Versterker Vergelijking

De onderstaande SPICE-simulatie vergelijkt een cascode versterker met een standaard common-emitter versterker. De AC-bro V3 aandrijft beide trappen via knooppunt 4. Biasweerstanden zijn berekend als in het voorbeeldprobleem.

SPICE golfformen. Let op dat de invoer met 10 vermenigvuldigd is voor zichtbaarheid.

SPICE netlist voor het printen van AC in- en uitgangsspanningen.

 *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 

De golfformen illustreren het gedrag van de cascode. Het invoersignaal wordt tienvoudig getoond voor duidelijkheid. Zowel de cascode- als common-emitter uitgang zijn geïnverteerd ten opzichte van de invoer, en de cascode bereikt een iets hogere middenband winst. De frequentierespons plots hieronder tonen de –3 dB bandbreedte van elke versterker.

Opmerking: Deze sectie kan onnauwkeurigheden bevatten en vereist herziening. Raadpleeg de opmerkingen onderaan de pagina voor meer details.

De onderstaande figuur toont de frequentierespons van beide versterkers. De SPICE-commando's verantwoordelijk voor de AC-analyse zijn geëxtraheerd uit de listing:

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

De cascode demonstreert een marginiaal betere middenband winst. Voor de –3 dB punten bereikt de cascode ongeveer 5 MHz, terwijl de common-emitter trap maximaal 2 MHz haalt. Dus biedt de cascode een bredere bandbreedte. De lage-frequentie afbuiging wordt gedomineerd door koppelcondensators en kan worden gemitigeerd door grotere waarden te gebruiken. Voor RF-toepassingen wordt een paar transistoren met lage inter-elektrode capaciteit aanbevolen voor nog hogere bandbreedte. Historisch werden BJT cascode versterkers gebruikt in UHF TV-tuners vóór de komst van dual-gate MOSFETs.

Samenvatting

• Een cascode versterker bestaat uit een common-emitter trap belast door de emitter van een common-base trap.
• De zwaar belaste C-E trap heeft een lage winst (~1), wat het Millereffect mitigeert.
• Een cascode versterker levert hoge spanningswinst, matige invoerimpedantie, hoge uitgangsimpedantie en een brede bandbreedte.

Gerelateerde Werkbladen

• Class A BJT Versterkers Werkblad