Der Cascode-Verstärker
Während der C-B (Common-Base)-Verstärker für eine größere Bandbreite als die C-E (Common-Emitter)-Konfiguration bekannt ist, ist die niedrige Eingangsimpedanz (10s von ) von C-B eine Einschränkung für viele Anwendungen. Die Lösung besteht darin, der C-B-Stufe eine C-E-Stufe mit niedriger Verstärkung voranzustellen, die eine mäßig hohe Eingangsimpedanz (kΩs) hat.
Die Etappen sind in einem Kaskode Konfiguration in Reihe gestapelt, im Gegensatz zu kaskadierten für eine Standardverstärkerkette.
„Kondensatorgekoppelter dreistufiger Emitterverstärker“ Kondensatorgekoppelt für ein Kaskadenbeispiel. Die Kaskode-Verstärkerkonfiguration hat sowohl eine große Bandbreite als auch eine mäßig hohe Eingangsimpedanz.
Der Kaskodenverstärker ist kombiniert mit Emitter und Basis. Dies ist ein Wechselstrom-Äquivalent, bei dem Batterien und Kondensatoren durch Kurzschlüsse ersetzt werden.
Bandbreitenkapazität und der Miller-Effekt
Der Schlüssel zum Verständnis der großen Bandbreite der Kaskodenkonfiguration ist der Miller-Effekt . Der Miller-Effekt ist die Multiplikation der bandbreitenraubenden Kollektor-Basis-Kapazität mit der Spannungsverstärkung A v . Diese C-B-Kapazität ist kleiner als die E-B-Kapazität. Somit würde man meinen, dass die C-B-Kapazität wenig Einfluss hat. In der C-E-Konfiguration ist das Kollektorausgangssignal jedoch phasenverschoben zum Eingang an der Basis. Das kapazitiv rückgekoppelte Kollektorsignal steht dem Basissignal gegenüber. Darüber hinaus ist die Kollektorrückkopplung (1-Av)-mal größer als das Basissignal. Denken Sie daran, dass Av eine negative Zahl für den invertierenden C-E-Verstärker ist. Somit erscheint die kleine C-B-Kapazität (1+|Av|) mal größer als ihr tatsächlicher Wert. Diese kapazitive Verstärkung, die die Rückkopplung reduziert, nimmt mit der Frequenz zu und verringert den Hochfrequenzgang eines C-E-Verstärkers.
Die ungefähre Spannungsverstärkung des C-E-Verstärkers in der Abbildung unten beträgt -RL/rEE. Der Emitterstrom wird durch Biasing auf 1,0 mA eingestellt. REE=26mV/IE =26mV/1,0mA =26 Ω. Somit gilt Av =–RL/REE =–4700/26 =–181. Die pn2222-Datenblattliste Ccbo =8 pF.[FAR] Die Miller-Kapazität ist Ccbo(1-Av). Gain Av =-181, negativ, da es die Verstärkung invertiert. Cmiller =Ccbo(1-Av) =8pF(1-(-181)=1456pF
Eine Konfiguration mit gemeinsamer Basis unterliegt nicht dem Miller-Effekt, da die geerdete Basis das Kollektorsignal gegen Rückkopplung zum Emittereingang abschirmt. Somit hat ein C-B-Verstärker einen besseren Hochfrequenzgang. Um eine mäßig hohe Eingangsimpedanz zu haben, ist die C-E-Stufe immer noch wünschenswert. Der Schlüssel besteht darin, die Verstärkung (auf etwa 1) der C-E-Stufe zu reduzieren, wodurch die C-B-Rückkopplung des Miller-Effekts auf 1·CCBO reduziert wird. Die gesamte C-B-Rückkopplung ist die Rückkopplungskapazität 1·CCB plus die tatsächliche Kapazität CCB für insgesamt 2·CCBO. Dies ist eine erhebliche Reduzierung gegenüber 181·CCBO. Die Miller-Kapazität für eine Verstärkung von -2 C-E-Stufe ist Cmiller =Ccbo(1-Av) =Cmiller =Ccbo(1-(-1)) =Ccbo·2.
Der Weg, die Emitterverstärkung zu reduzieren, besteht darin, den Lastwiderstand zu reduzieren. Die Verstärkung eines C-E-Verstärkers beträgt ungefähr RC/RE. Der interne Emitterwiderstand rEE bei 1mA Emitterstrom beträgt 26Ω. Einzelheiten zum 26Ω finden Sie unter „Ableitung des REE“, siehe REE. Die Kollektorlast RC ist der Widerstand des Emitters der C-B-Stufe, der die C-E-Stufe lädt, wieder 26Ω. Die Verstärkung des CE-Verstärkers beträgt ungefähr Av =RC/RE=26/26=1. Diese Miller-Kapazität ist Cmiller =Ccbo(1-Av) =8pF(1-(-1)=16pF. Wir haben jetzt eine CE-Stufe mit mäßig hoher Eingangsimpedanz ohne den Miller-Effekt, aber keine CE-dB-Spannungsverstärkung. Die CB-Stufe liefert eine hohe Spannungsverstärkung, AV =-181. Die Stromverstärkung der Kaskode beträgt β der CE-Stufe, 1 für den CB, β insgesamt. Somit hat die Kaskode eine mäßig hohe Eingangsimpedanz des CE, eine gute Verstärkung und eine gute Bandbreite von die CB.
SPICE:Cascode und Common-Emitter zum Vergleich.
Kaskode vs. Vergleich der Common-Emitter-Verstärker
Die SPICE-Version eines Kaskode-Verstärkers und zum Vergleich eines Emitter-Verstärkers ist in der Abbildung oben gezeigt. Die Netzliste ist in der Tabelle unten. Die AC-Quelle V3 treibt beide Verstärker über Knoten 4. Die Bias-Widerstände für diese Schaltung werden in einer beispielhaften Problemkaskode berechnet.
SPICE-Wellenformen. Beachten Sie, dass die Eingabe zur Sichtbarkeit mit 10 multipliziert wird.
SPICE-Netzliste zum Drucken von AC-Eingangs- und Ausgangsspannungen.
Die Wellenformen in der Abbildung oben zeigen den Betrieb der Kaskodenstufe. Das Eingangssignal wird mit 10 multipliziert angezeigt, damit es mit den Ausgängen dargestellt werden kann. Beachten Sie, dass die Ausgänge Cascode, Common-Emitter und Va (Zwischenpunkt) vom Eingang invertiert sind. Sowohl der Cascode- als auch der Common-Emitter haben Ausgänge mit großer Amplitude. Der Va-Punkt hat einen DC-Pegel von etwa 10 V, etwa auf halbem Weg zwischen 20 V und Masse. Das Signal ist größer, als durch eine C-E-Verstärkung von 1 erklärt werden kann. Es ist dreimal größer als erwartet.
Cascode vs Common-Emitter-Bandbreite.
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Die obige Abbildung zeigt den Frequenzgang sowohl des Kaskode- als auch des Common-Emitter-Verstärkers. Die für die AC-Analyse verantwortlichen SPICE-Statements, extrahiert aus dem Listing:
Beachten Sie, dass „ac 1“ am Ende der V3-Anweisung erforderlich ist. Die Kaskode hat eine geringfügig bessere Mittelbandverstärkung. Wir suchen jedoch in erster Linie nach der Bandbreite, die an den -3 dB-Punkten gemessen wird, abwärts von der Mittelbandverstärkung für jeden Verstärker. Dies wird durch die vertikalen durchgezogenen Linien in der Abbildung oben gezeigt. Es ist auch möglich, die interessierenden Daten von Muskatnuss auf den Bildschirm zu drucken, den grafischen Viewer von SPICE (Befehl, erste Zeile):
Muskatnuss 6 -> Druckfrequenz db(vm(3)) db(vm(13)) Indexfrequenz 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 gibt die dB-Verstärkung im mittleren Band für Cascode vm(3)=47,5dB und Common-Emitter vm(13)=45,4dB an. Von vielen gedruckten Zeilen war Index 33 am nächsten zu 3 dB niedriger von 45,4 dB bei 42,0 dB für die Common-Emitter-Schaltung. Die entsprechende Index 33-Frequenz beträgt ungefähr 2 MHz, die gemeinsame Emitter-Bandbreite. Index 37 vm(3)=44,6db ist ungefähr 3db niedriger als 47,5db. Die entsprechende Index37-Frequenz beträgt 5Mhz, die Cascode-Bandbreite. 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 5-MHz-Bandbreite unseres Kaskodenbeispiels ist zwar besser als die des Common-Emitter-Beispiels, aber nicht beispielhaft für einen HF-(Radiofrequenz-)Verstärker. Für eine höhere Bandbreite sollte ein Paar HF- oder Mikrowellentransistoren mit geringeren Zwischenelektrodenkapazitäten verwendet werden. Vor der Erfindung des HF-Dual-Gate-MOSFET konnte der BJT-Kaskodenverstärker in UHF-TV-Tunern (Ultrahochfrequenz) gefunden werden.
REZENSION
- Eine Kaskode Verstärker besteht aus einer Emitterstufe, die vom Emitter einer Basisstufe geladen wird.
- Die stark belastete C-E-Stufe hat eine niedrige Verstärkung von 1, wodurch der Miller-Effekt überwunden wird
- Ein Kaskodenverstärker hat eine hohe Verstärkung, eine mäßig hohe Eingangsimpedanz, eine hohe Ausgangsimpedanz und eine hohe Bandbreite.
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