Cascode-Verstärker: Kombination von Common-Emitter und Common-Base für große Bandbreite und hohen Eingangs-widerstand

Während der Common-Base-(C-B)-Verstärker eine größere Bandbreite als die Common-Emitter-(C-E)-Stufe bietet, schränkt sein Eingangs-widerstand – im Bereich weniger zehn Ohm – die Verwendbarkeit ein. Eine gängige Lösung ist, der C-B-Stufe einen niedrigverstärkenden C-E-Treiber vorzuschalten, der einen höheren Eingangs-widerstand im Kilohm-Bereich präsentiert.

Die Stufen sind in einer Cascode-Konfiguration angeordnet, in Serie geschaltet statt wie in einer konventionellen Verstärkerkette kaskadiert.

In einem typischen kapazitiv gekoppelten, dreistufigen Common-Emitter-Verstärker wird die Cascode-Topologie eingesetzt. Sie liefert sowohl große Bandbreite als auch einen moderat hohen Eingangs-widerstand.

Ein Cascode-Verstärker kombiniert eine Common-Emitter-Stufe mit einer Common-Base-Stufe. In der AC-Analyse werden Versorgungsspannungen und DC-Kopplungskondensatoren als Kurzschlüsse modelliert.

Bandbreite, Kapazität und der Miller-Effekt

Die erweiterte Bandbreite des Cascode resultiert aus dem Miller-Effekt. In einer C-E-Stufe wird die Kollektor-Basis-Kapazität (Ccbo) mit dem Betrag der Spannungsverstärkung (Av) multipliziert. Obwohl Ccbo kleiner ist als die Emitter-Basis-Kapazität, liegt der Kollektorknoten 180° phasenverschoben zum Basiseingang. Die Rückkopplung über Ccbo wirkt wie (1 + |Av|)-mal die physikalische Kapazität und begrenzt das Hochfrequenzverhalten eines eigenständigen C-E-Verstärkers.

Die ungefähre Spannungsverstärkung des C-E-Verstärkers in der untenstehenden Abbildung beträgt Av = –RL/rEE. Bei einem Emitterstrom von 1,0 mA beträgt der Emitterwiderstand REE = 26 mΩ/IE = 26 Ω. Damit ist Av = –RL/REE = –4700/26 ≈ –181. Das PN2222-Datenblatt gibt Ccbo = 8 pF an. Die Miller-Kapazität beträgt daher Cmiller = Ccbo(1–Av) = 8 pF × (1–(–181)) ≈ 1456 pF.

Eine Common-Base-Konfiguration wird vom Miller-Effekt nicht beeinflusst, da die geerdete Basis den Kollektor davon isoliert, zurück zum Emittereingang zu koppeln. Folglich weist ein C-B-Verstärker eine überlegene Hochfrequenzleistung auf. Um einen moderat hohen Eingangs-widerstand zu erreichen und gleichzeitig die Vorteile einer C-E-Stufe zu behalten, wird die C-E-Stufe für eine niedrige Spannungsverstärkung von etwa 1 vorgespannt. Dies reduziert die Miller-Multiplikation auf 2 × Ccbo.

Der Schlüssel zur Reduzierung der C-E-Verstärkung ist die Verringerung des Lastwiderstands. Die Spannungsverstärkung eines C-E-Verstärkers beträgt ungefähr RC/RE. Mit dem internen Emitterwiderstand rEE ≈ 26 Ω bei 1 mA und einer Kollektorlast RC, die dem Emitter der C-B-Stufe entspricht (26 Ω), wird die Verstärkung Av = RC/RE ≈ 1. Die Miller-Kapazität reduziert sich dann auf Cmiller = Ccbo(1–Av) = 8 pF × (1–(–1)) = 16 pF. Wir haben nun eine C-E-Stufe mit moderatem Eingangs-widerstand, vernachlässigbarem Miller-Effekt und ohne nennenswerte Spannungsverstärkung. Die nachfolgende C-B-Stufe liefert die hohe Spannungsverstärkung (Av ≈ –181). Die Gesamtstromverstärkung des Cascode entspricht dem β der C-E-Stufe, was einen robusten Gesamt-β ergibt.

SPICE: Cascode versus Common-Emitter-Verstärker Vergleich.

Cascode vs. Common-Emitter-Verstärker Vergleich

Die folgende SPICE-Simulation vergleicht einen Cascode-Verstärker mit einem Standard-Common-Emitter-Verstärker. Die AC-Quelle V3 treibt beide Stufen über Knoten 4 an. Die Vorspannwiderstände sind wie im Beispielproblem berechnet.

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

SPICE-Netlist zum Drucken der AC-Ein- und Ausgangsspannungen.

 *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 

Die Wellenformen veranschaulichen das Verhalten des Cascode. Das Eingangssignal ist zehnfach verstärkt dargestellt. Sowohl der Cascode- als auch der Common-Emitter-Ausgang sind invertiert zum Eingang, und der Cascode erreicht eine etwas höhere Mittenband-Verstärkung. Die Frequenzgang-Diagramme unten zeigen die –3-dB-Bandbreite jedes Verstärkers.

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Die untenstehende Abbildung zeigt den Frequenzgang beider Verstärker. Die für die AC-Analyse verantwortlichen SPICE-Befehle sind dem Listing entnommen:

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

Der Cascode zeigt eine etwas bessere Mittenband-Verstärkung. Für die –3-dB-Punkte erreicht der Cascode etwa 5 MHz, während die Common-Emitter-Stufe bei ca. 2 MHz endet. Somit bietet der Cascode eine größere Bandbreite. Der Tiefrequenzabfall wird von den Kopplungskondensatoren dominiert und kann durch größere Werte gemildert werden. Für RF-Anwendungen wird ein Paar Transistoren mit geringer Elektrodenkapazität empfohlen, um noch höhere Bandbreiten zu erzielen. Historisch wurden BJT-Cascode-Verstärker in UHF-TV-Tunern eingesetzt, bevor Dual-Gate-MOSFETs aufkamen.

Zusammenfassung

• Ein Cascode-Verstärker besteht aus einer Common-Emitter-Stufe, die vom Emitter einer Common-Base-Stufe belastet wird.
• Die stark belastete C-E-Stufe hat eine niedrige Verstärkung (~1), was den Miller-Effekt abmildert.
• Ein Cascode-Verstärker liefert hohe Spannungsverstärkung, moderaten Eingangs-widerstand, hohen Ausgangs-widerstand und große Bandbreite.

Verwandte Arbeitsblätter

• Class A BJT Amplifiers Worksheet