Хотя усилитель с ОБ (с общей базой) известен большей широкополосностью по сравнению со схемой с ОЭ (с общим эмиттером), для многих приложений низкое входное сопротивление (десятки Ом) схемы с ОБ является ограничением. Решение заключается в том, чтобы перед каскадом с ОБ с низким коэффициентом усиления поставить каскад с ОЭ, который обладает высоким входным сопротивлением (килоомы). Смотрите рисунок ниже. Каскады каскодной схемы включены последовательно, а не каскадно, как в стандартной схеме усилителя. Для примера каскадного усилителя смотрите схему «Разделительные конденсаторы, объединяющие три усилительных каскада с общим эмиттером» в последующем разделе «Соединение входов и выходов» данной главы. Схема каскодного усилителя обладает и широкополосностью, и умеренно высоким входным сопротивлением.
Каскодный усилитель состоит из усилителей с общим эмиттером и общей базой. На рисунке приведен эквивалент по переменному току, когда батареи питания и конденсаторы заменены перемычками
Ключом к пониманию широкополосности каскодной схемы является эффект Миллера. Эффект Миллера – это умножение широкополосной ёмкости коллектор-база на коэффициент усиления по напряжению AV. Эта емкость коллектор-база меньше емкости эмиттер-база. Таким образом, можно было бы подумать, что емкость коллектор-база будет оказывать слабое влияние. Однако в схеме с общим эмиттером выходной сигнал на коллекторе противоположен по фазе входному сигналу на базе. Сигнал на коллекторе противодействует через емкостную обратную связь сигналу на базе. Кроме того, обратная связь коллектора в (1 – AV) больше сигнала на базе. Имейте в виду, что AV является отрицательным числом для инвертирующего усилителя с общим эмиттером. Таким образом, небольшая емкость коллектор-база становится в (1 + |AV|) больше, чем ее фактическое значение. Это увеличение емкости уменьшает обратную связь по мере увеличения частоты, уменьшая отклик на высоких частотах у усилителя с общим эмиттером.
Примерный коэффициент усиления по напряжению усилителя с общим эмиттером на рисунке ниже равен –Rнагр/rЭ. Ток эмиттера с помощью смещения установлен на 1,0 мА. rЭ = 26мВ/IЭ = 26мВ/1.0мА = 26 Ом. Таким образом, AV = –Rнагр/rЭ = –4700/26 = -181. В техническом описании pn2222 указано CКБ = 8 пФ. Емкость Миллера равна CКБ(1 – AV). Коэффициент усиления AV = -181, отрицательное значение, так как это инвертирующий усилитель. CМиллер = CКБ(1 – AV) = 8пФ(1 – (–181)) = 1456пФ.
Схема с общей базой не зависит от эффекта Миллера, поскольку заземленная база экранирует сигнал коллектора от подачи обратно на эмиттерный вход. Таким образом, усилитель с общей базой обладает более высокочастотной характеристикой. При этом по-прежнему желательно использование каскада с общим эмиттером для получения относительно высокого входного сопротивления. Цель состоит в том, чтобы уменьшить коэффициент усиления каскада с общим эмиттером (до примерно 1), что уменьшит эффект Миллера обратной связи коллектор-база до 1 · CКБ. Суммарная емкость обратной связи коллектор-база равна емкости обратной связи 1 · CКБ плюс реальная емкость CКБ, что в итоге дает 2 · CКБ. Это дает значительное уменьшение со значения 181 · CКБ. Емкость Миллера для коэффициента усиления –2 каскада с общим эмиттером равна CМиллер = CКБ(1 – AV) = CКБ(1 – (–1)) = CКБ · 2.
Способ уменьшения коэффициента усиления схемы с общим эмиттером заключается в уменьшении сопротивления нагрузки. Коэффициент усиления по напряжению усилителя с общим эмиттером примерно равен RК/RЭ. Внутреннее сопротивление rЭ при токе эмиттера 1 мА составляет 26 Ом. Расчет rЭ смотрите выше. Нагрузка коллектора RК представляет собой сопротивление эмиттера каскада с общей базой, который является нагрузкой каскада с общим эмиттером, и это снова 26 Ом. Коэффициент усиления каскада с общим эмиттером примерно равен AV = RК/RЭ = 26/26 = 1. Емкость Миллера равна CМиллер = CКБ(1 – AV) = 8пФ(1 – (–1)) = 16пФ. Теперь мы имеем относительно высокое входное сопротивление каскада с общим эмиттером, устранив влияние эффекта Миллера, однако без усиления по напряжению. Каскад с общей базой обеспечивает высокий коэффициент усиления по напряжению, AV = –181. Коэффициент усиления по току каскодной схемы равен β для каскада с общим эмиттером и 1 для каскада с общей базой, что в итоге дает β. Таким образом, каскодная схема имеет относительно высокое входное сопротивление схемы с общим эмиттером, хорошее усиление и широкую полосу пропускания схемы с общей базой.
SPICE: для сравнения каскодной схемы и каскада с общим эмиттером
На рисунке выше показаны схемы каскодного усилителя и усилителя с общим эмиттером для сравнения в SPICE. Список соединений приведен ниже. Источник переменного напряжения V3 управляет обоими усилителями через узел 4. Резисторы смещения для этой схемы вычисляются в примере каскодной схемы в разделе «Расчеты смещения» этой главы.
Осциллограммы SPICE. Обратите внимание, что входной сигнал для наглядности умножен на 10
Список соединений SPICE для печати входных и выходных переменных напряжений.
*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
Осциллограммы на рисунке выше показывают работу каскодного усилителя. Входной сигнал показан умноженным на 10, так чтобы он был виден совместно с выходными сигналами. Обратите внимание, что в каскодной схеме, в каскаде с общим эмиттером, сигнал Va инвертирован относительно входного сигнала. Выходные сигналы и в каскодной схеме, и в усилителе с общим эмиттером имеют большую амплитуду. Точка Va имеет смещение по постоянному напряжению примерно на 10 В, примерно посередине между 20 В и землей. Сигнал больше, чем можно было бы объяснить коэффициентом усиления каскада с общим эмиттером, равным 1. Он в три раза больше, чем ожидалось.
Сравнение ширины полосы пропускания у каскодного усилителя и каскада с общим эмиттером
На рисунке выше показаны амплитудно-частотные характеристики каскодной схемы и схемы с общим эмиттером. Операторы SPICE, отвечающие за AC анализ, извлечены из листинга:
V3 4 6 SIN(0 0.1 1k) ac 1
.AC DEC 10 1k 100Meg
Обратите внимание, что "ac 1" является обязательным в строке оператора V3. Каскодный усилитель имеет слегка улучшенный коэффициент усиления в середине диапазона. Тем не менее, нам, в основном, интересна ширина полосы пропускания, измеренная на уровне -3 дБ по сравнению с усилением в середине полосы для каждого усилителя. Эти точки показаны на рисунке выше вертикальными сплошными линиями. Также можно распечатать интересующие данные из nutmeg на экран (команда в первой строке):
nutmeg 6 -> print frequency db(vm(3)) db(vm(13))
Index frequency 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
Индекс 22 выдает коэффициент усиления в дБ в середине полосы пропускания: для каскодной схемы vm(3) = 47.5 дБ, для схемы с общим эмиттером vm(13) = 45.4 дБ. Из многих напечатанных линий индекс 33 был ближайшим к тому, чтобы он был на 3 дБ ниже 45.4 дБ и равен 42.0 дБ для схемы с общим эмиттером. Соответствующая частота индекса 33 составляет примерно 2 МГц, это ширина полосы пропускания схемы с общим эмиттером. Индекс 37 с vm(3) = 44.6 дБ примерно на 3 дБ ниже 47.5 дБ. Соответствующая частота индекса 37 составляет 5 МГц, это ширина полосы пропускания каскодной схемы. Таким образом, каскодный усилитель имеет более широкую полосу пропускания. Мы не смотрим на уменьшение усиления на нижних частотах. Оно связано с конденсаторами, и его можно устранить, заменив конденсаторы на более большие. Ширина полосы в 5 МГц в нашем примере каскодного усилителя хотя и лучше, чем у схемы с общим эмиттером, не показательна для RF (РЧ, радиочастотного) усилителя. Для повышения верхней частоты полосы пропускания следует использовать пару РЧ или СВЧ транзисторов с более низкими межэлектродными емкостями. До изобретения радиочастотного MOSFET транзистора с двойным затвором каскодный усилитель на биполярных транзисторах можно было найти в дециметровых (UHF) ТВ приемниках.
Подведем итоги:
- Каскодный усилитель состоит из каскада с общим эмиттером, нагруженного каскадом с общей базой.
- Сильно нагруженный каскад с общим эмиттером обладает низким коэффициентом усиления по напряжению, равным 1, что устраняет влияние эффекта Миллера.
- Каскодный усилитель обладает высоким коэффициентом усиления, относительно высоким входным сопротивлением, высоким выходным сопротивлением и широкой полосой пропускания.
Оригинал статьи: