Lehrbuch

Der Cascode-Verstärker

Class B Transistor Verstärker (Januar 2019).

Anonim

Der Cascode-Verstärker

Kapitel 4 - Bipolare Sperrschichttransistoren


Während der CB (Common-Base) Verstärker für eine größere Bandbreite als die CE (Common-Emitter) Konfiguration bekannt ist, ist die niedrige Eingangsimpedanz (10s von Ω) von CB eine Einschränkung für viele Anwendungen. Die Lösung besteht darin, der CB-Stufe eine CE-Stufe niedriger Verstärkung vorauszusetzen, die eine mäßig hohe Eingangsimpedanz (kΩs) aufweist. Siehe Abbildung unten. Die Stufen sind in einer Kaskodenkonfiguration angeordnet, die in Reihe gestapelt ist, im Gegensatz zu Kaskadenschaltungen für eine Standard-Verstärkerkette. Siehe "Kondensatorgekoppelter dreistufiger Common-Emitter-Verstärker". Kondensator gekoppelt für ein Kaskadenbeispiel. Die Kaskodenverstärkerkonfiguration hat sowohl eine große Bandbreite als auch eine mäßig hohe Eingangsimpedanz.

Der Kaskodenverstärker ist ein gemeinsamer Emitter und eine gemeinsame Basis. Dies ist eine Wechselstromschaltung, bei der Batterien und Kondensatoren durch Kurzschlüsse ersetzt werden.

Bandbreitenkapazität und der Miller-Effekt

Der Schlüssel zum Verständnis der großen Bandbreite der Cascode-Konfiguration ist der Miller-Effekt . Der Miller-Effekt ist die Multiplikation der bandbreitenraubenden Kollektor-Basis-Kapazität mit der Spannungsverstärkung A v . Diese CB-Kapazität ist kleiner als die EB-Kapazität. Somit würde man denken, dass die CB-Kapazität wenig Wirkung haben würde. In der CE-Konfiguration ist das Kollektorausgangssignal jedoch außer Phase mit dem Eingang an der Basis. Das kapazitiv zurückgekoppelte Kollektorsignal liegt dem Basissignal entgegen. Außerdem ist die Kollektorrückkopplung (1-A v ) mal größer als das Basissignal. Beachten Sie, dass A v eine negative Zahl für den invertierenden CE-Verstärker ist. Somit erscheint die kleine CB-Kapazität (1 + A | v |) mal größer als ihr tatsächlicher Wert. Diese kapazitive verstärkungsreduzierende Rückkopplung nimmt mit der Frequenz zu und reduziert die Hochfrequenzantwort eines CE-Verstärkers.

Die ungefähre Spannungsverstärkung des CE-Verstärkers in der Figur ist -R L / r EE . Der Emitterstrom wird durch Vorspannen auf 1, 0 mA eingestellt. R EE = 26 mV / I E = 26 mV / 1, 0 mA = 26 Ω. Somit gilt A v = -R L / R EE = -4700/26 = -181. Die Datenblattliste pn2222 C cbo = 8 pF (FAR) Die Miller-Kapazität ist C cbo (1-A v ). Verstärkung A v = -181, negativ, da es die Verstärkung invertiert. C miller = Ccbo (1-A v ) = 8pF (1 - (- 181) = 1456pF

Eine Common-Base-Konfiguration unterliegt nicht dem Miller-Effekt, da die geerdete Basis das Kollektorsignal davor schützt, zum Emittereingang zurückgeführt zu werden. Somit hat ein CB-Verstärker eine bessere Hochfrequenzantwort. Um eine mäßig hohe Eingangsimpedanz zu haben, ist die CE-Stufe immer noch wünschenswert. Der Schlüssel ist, die Verstärkung (auf ungefähr 1) der CE-Stufe zu reduzieren, die die Miller-Effekt-CB-Rückkopplung auf 1 · C CBO reduziert. Die gesamte CB-Rückkopplung ist die Rückkopplungskapazität 1 · C CB plus die tatsächliche Kapazität C CB für insgesamt 2 · C CBO . Dies ist eine erhebliche Reduktion gegenüber 181 · C CBO . Die Miller-Kapazität für eine Verstärkung von -2 CE-Stufe ist C miller = Ccbo (1 - Av ) = C Miller = Ccbo (1 - (- 1)) = Ccbo · 2.

Der Weg zur Verringerung der Emitterverstärkung besteht darin, den Lastwiderstand zu verringern. Die Verstärkung eines CE-Verstärkers beträgt ungefähr RC / RE . Der interne Emitterwiderstand r EE bei 1mA Emitterstrom beträgt 26Ω. Einzelheiten zu den 26Ω finden Sie unter "Ableitung von R EE ", siehe REE. Die Kollektorlast RC ist der Widerstand des Emitters der CB-Stufe, der die CE-Stufe lädt, wiederum 26Ω. Die Verstärkungsverstärkung des CE-Verstärkers beträgt ungefähr A v = R C / R E = 26/26 = 1. Diese Miller-Kapazität ist C miller = Ccbo (1-A v ) = 8pF (1 - (- 1) = 16pF. Wir haben jetzt eine CE-Stufe mit mäßig hoher Eingangsimpedanz, ohne den Miller-Effekt zu erleiden, aber keine CE dB-Spannungsverstärkung. Die CB-Stufe liefert eine hohe Spannungsverstärkung A V = -181. Die Stromverstärkung der Kaskode ist β der CE-Stufe, 1 für die CB, β insgesamt. Somit hat die Kaskode eine mäßig hohe Eingangsimpedanz der CE, gute Verstärkung, und gute Bandbreite des CB.

SPICE: Cascode und Common-Emitter zum Vergleich.

Cascode Vs. Common-Emitter-Verstärker-Vergleich

Die SPICE-Version von sowohl einem Kaskodenverstärker als auch zum Vergleich einem Verstärker mit gemeinsamem Emitter ist in Fig. Oben gezeigt. Die Netzliste befindet sich in der Tabelle unten. Die Wechselstromquelle V3 steuert beide Verstärker über den Knoten 4 an. Die Vorspannungswiderstände für diese Schaltung werden in einer beispielhaften Problemkaskode berechnet.

SPICE-Wellenformen. Beachten Sie, dass Input für die Sichtbarkeit mit 10 multipliziert wird.

SPICE-Netzliste zum Drucken von AC-Eingangs- und Ausgangsspannungen.
 * SPICE Schaltung von 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) Wechselstrom 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 .Modell q2n2222 npn (is = 19f bf = 150 + vaf = 100 ikf = 0, 18 ise = 50pne = 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 = 7 n xtb = 1, 5 kf ​​= 0, 032 f af = 1) .tran 1u 5m .AC DEC 10 1k 100Meg .end 

Die Wellenformen in Abbildung oben zeigen die Funktionsweise der Kaskodenstufe. Das Eingangssignal wird mit 10 multipliziert angezeigt, so dass es mit den Ausgängen angezeigt werden kann. Beachten Sie, dass sowohl der Cascode-, der Common-Emitter- als auch der Va (Zwischenpunkt) -Ausgang vom Eingang invertiert sind. Sowohl der Cascode- als auch der Common-Emitter haben große Amplitudenausgaben. Der Va-Punkt hat einen DC-Pegel von etwa 10 V, etwa die Hälfte zwischen 20 V und Masse. Das Signal ist größer als durch eine CE-Verstärkung von 1 erklärt werden kann. Es ist dreimal größer als erwartet.

Cascode vs Common-Emitter-Bandbreite.

Die obige Abbildung zeigt die Frequenzantwort sowohl für die Kaskoden- als auch die Emitter-Verstärker. Die aus der Auflistung extrahierten SPICE-Anweisungen für die AC-Analyse:

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

Beachten Sie, dass "ac 1" am Ende der V3-Anweisung erforderlich ist. Die Kaskode hat eine geringfügig bessere Mittenbandverstärkung. Wir suchen jedoch in erster Linie nach der Bandbreite, die an den -3 dB-Punkten gemessen wird, gegenüber der Mittenbandverstärkung für jeden Verstärker. Dies wird durch die vertikalen durchgezogenen Linien in Abbildung oben angezeigt. Es ist auch möglich, die interessierenden Daten von Muskat auf den Bildschirm, den grafischen SPICE-Viewer (Befehl, erste Zeile) zu drucken:

 Muskat 6 -> Druckfrequenz db (vm (3)) db (vm (13)) Indexfrequenz db (vm (3)) db (vm (13)) 22 0, 158 MHz 47, 54 45, 41 33 1, 995 MHz 46, 95 42, 06 37 5, 012 MHz 44, 63 36.17 

Der Index 22 gibt die Mittenband-dB-Verstärkung für Cascode vm (3) = 47, 5 dB und den gemeinsamen Emitter vm (13) = 45, 4 dB an. Von vielen gedruckten Linien war der Index 33 dem 3dB am nächsten von 45, 4 dB bei 42, 0 dB für die Emitterschaltung. Die entsprechende Frequenz des Index 33 beträgt ungefähr 2 MHz, die gemeinsame Emitterbandbreite. Index 37 vm (3) = 44.6db ist ungefähr 3db von 47.5db herunter. Die entsprechende Index37-Frequenz ist 5 MHz, die Kaskodenbandbreite. Somit hat der Kaskodenverstärker eine größere Bandbreite. Wir befassen uns nicht mit der Verschlechterung der Verstärkung bei niedrigen Frequenzen. Es liegt an den Kondensatoren, die mit größeren behoben werden könnten. Die Bandbreite von 5 MHz unseres Kaskodenbeispiels ist zwar besser als das Beispiel eines herkömmlichen Emitters, ist jedoch nicht exemplarisch für einen RF (Radiofrequenz) -Verstärker. Ein Paar HF- oder Mikrowellentransistoren mit niedrigeren Zwischenkapazitäten sollte für eine höhere Bandbreite verwendet werden. Vor der Erfindung des RF-Dual-Gate-MOSFET könnte der BJT-Kaskodenverstärker in UHF (Ultrahochfrequenz) -TV-Tunern gefunden worden sein.

REZENSION

  • Ein Kaskodenverstärker besteht aus einer gemeinsamen Emitterstufe, die vom Emitter einer gemeinsamen Basisstufe geladen wird.
  • Die stark belastete CE-Stufe hat eine geringe Verstärkung von 1, wodurch der Miller-Effekt überwunden wird
  • Ein Kaskodenverstärker weist eine hohe Verstärkung, eine mäßig hohe Eingangsimpedanz, eine hohe Ausgangsimpedanz und eine hohe Bandbreite auf.