Каскодный усилитель

Добавлено 16 октября 2017 в 20:36

Глава 4 – Биполярные транзисторы

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
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
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
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
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.

На сайте работает сервис комментирования DISQUS, который позволяет вам оставлять комментарии на множестве сайтов, имея лишь один аккаунт на Disqus.com.


Сообщить об ошибке