Cascode 증폭기

C-B(공통 베이스) 증폭기는 C-E(공통 이미 터) 구성보다 대역폭이 더 넓은 것으로 알려져 있지만 C-B의 낮은 입력 임피던스(Ω의 10초)는 많은 응용 분야에서 제한 사항입니다. 해결책은 적당히 높은 입력 임피던스(kΩ)를 갖는 낮은 이득 C-E 단계를 C-B 단계에 선행하는 것입니다.

단계는 캐스코드 표준 앰프 체인의 계단식 구성과 달리 직렬로 쌓인 구성입니다.

"커패시터 결합 3단 공통 이미 터 증폭기" 캐스케이드 예를 위해 결합된 커패시터. 캐스코드 증폭기 구성은 넓은 대역폭과 적당히 높은 입력 임피던스를 모두 가지고 있습니다.

캐스코드 증폭기는 공통 이미 터와 공통 베이스가 결합되어 있습니다. 이것은 배터리 및 커패시터를 단락으로 교체한 것과 동일한 AC 회로입니다.

대역폭 커패시턴스와 밀러 효과

캐스코드 구성의 넓은 대역폭을 이해하는 열쇠는 밀러 효과입니다. . 밀러 효과 은 대역폭 로빙 컬렉터-베이스 커패시턴스를 전압 이득 A로 곱한 값입니다. v . 이 C-B 커패시턴스는 E-B 커패시턴스보다 작습니다. 따라서 C-B 커패시턴스가 거의 영향을 미치지 않는다고 생각할 수 있습니다. 그러나 CE 구성에서 컬렉터 출력 신호는 베이스의 입력과 위상이 다릅니다. 다시 용량 결합된 컬렉터 신호는 기본 신호와 반대입니다. 또한 컬렉터 피드백은 기본 신호보다 (1-Av) 배 더 큽니다. Av는 반전 CE 증폭기의 경우 음수입니다. 따라서 작은 C-B 커패시턴스는 실제 값보다 (1+|Av|) 더 크게 나타납니다. 피드백을 감소시키는 이 용량성 이득은 주파수에 따라 증가하여 CE 증폭기의 고주파수 응답을 감소시킵니다.

아래 그림의 CE 증폭기의 대략적인 전압 이득은 -RL/rEE입니다. 이미 터 전류는 바이어싱에 의해 1.0mA로 설정됩니다. REE=26mV/IE =26mV/1.0mA =26Ω. 따라서 Av =-RL/REE =-4700/26 =-181입니다. pn2222 데이터시트 목록 Ccbo =8pF.[FAR] 밀러 커패시턴스는 Ccbo(1-Av)입니다. Gain Av =-181, 반전 이득이므로 음수입니다. Cmiller =Ccbo(1-Av) =8pF(1-(-181)=1456pF

접지된 베이스는 컬렉터 신호가 이미터 입력으로 피드백되는 것을 차단하기 때문에 공통 베이스 구성은 밀러 효과의 영향을 받지 않습니다. 따라서 C-B 증폭기는 더 나은 고주파수 응답을 갖습니다. 적당히 높은 입력 임피던스를 가지려면 CE 단계가 여전히 바람직합니다. 핵심은 밀러 효과 C-B 피드백을 1·CCBO로 줄이는 CE 스테이지의 게인(약 1)을 줄이는 것입니다. 총 C-B 피드백은 피드백 커패시턴스 1·CCB에 총 2·CCBO에 대한 실제 커패시턴스 CCB를 더한 것입니다. 이는 181·CCBO에 비해 상당한 감소이다. -2 C-E 단계의 이득에 대한 밀러 커패시턴스는 Cmiller =Ccbo(1-Av)=Cmiller =Ccbo(1-(-1)) =Ccbo·2입니다.

공통 이미 터 이득을 줄이는 방법은 부하 저항을 줄이는 것입니다. CE 증폭기의 이득은 대략 RC/RE입니다. 1mA 이미터 전류에서 내부 이미터 저항 rEE는 26Ω입니다. 26Ω에 대한 자세한 내용은 "REE의 파생", REE를 참조하세요. 컬렉터 부하 RC는 C-E 스테이지에 부하를 가하는 C-B 스테이지의 이미터 저항이며 다시 26Ω입니다. CE 이득 증폭기 이득은 대략 Av =RC/RE=26/26=1입니다. 이 Miller 커패시턴스는 Cmiller =Ccbo(1-Av) =8pF(1-(-1)=16pF입니다. 이제 Miller 효과를 겪지 않고 적당히 높은 입력 임피던스 CE 단계를 갖지만 CE dB 전압 이득은 없습니다. CB 단계 높은 전압 이득, AV =-181을 제공합니다.캐스코드의 전류 이득은 CE 스테이지의 β, CB에 대해 1, 전체 β입니다.따라서 캐스코드는 CE의 적당히 높은 입력 임피던스, 좋은 이득 및 좋은 대역폭을 갖습니다. CB.

SPICE:비교를 위한 캐스코드 및 공통 이미터입니다.

캐스코드 대 공통 이미 터 증폭기 비교

캐스코드 증폭기의 SPICE 버전과 비교를 위해 공통 이미 터 증폭기가 위 그림에 나와 있습니다. 넷리스트는 아래 표에 있습니다. AC 소스 V3은 노드 4를 통해 두 증폭기를 모두 구동합니다. 이 회로의 바이어스 저항은 문제 캐스코드의 예에서 계산됩니다.

SPICE 파형. 가시성을 위해 입력에 10을 곱합니다.

AC 입력 및 출력 전압 인쇄를 위한 SPICE 넷리스트.

<사전> *XCircuit의 VSPICE 회로 <03502.eps> v3.20 V1 19 0 10 Q1 13 15 0 q2n2222 Q2 3 2 A q2n2222 R1 19 13 4.7k V2 ​​156 0 1.5 C1 5n 2 1 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 2 . 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 n + cjc=11p tr=7n xtb=1.5 kf=0.032f af=1) .tran 1u 5m .AC DEC 10 1k 100Meg .end

위 그림의 파형은 캐스코드 단계의 동작을 보여줍니다. 입력 신호는 출력과 함께 표시될 수 있도록 10을 곱하여 표시됩니다. Cascode, Common-emitter 및 Va(중간 지점) 출력은 모두 입력에서 반전됩니다. 캐스코드와 공통 이미터 모두 진폭 출력이 큽니다. Va 포인트는 약 10V의 DC 레벨을 가지며 20V와 접지 사이의 약 절반입니다. 신호가 1의 CE 이득으로 설명할 수 있는 것보다 큽니다. 예상보다 3배 더 큽니다.

Cascode 대 공통 이미 터 대역폭.

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위의 그림은 캐스코드와 공통 이미 터 증폭기에 대한 주파수 응답을 보여줍니다. 목록에서 추출한 AC 분석을 담당하는 SPICE 문:

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

V3 문의 끝에 "ac 1"이 필요합니다. 캐스코드는 중간 대역 이득이 약간 더 좋습니다. 그러나 우리는 주로 각 증폭기의 중간 대역 이득보다 낮은 -3dB 지점에서 측정된 대역폭을 찾고 있습니다. 이것은 위의 그림에서 수직 실선으로 표시됩니다. 관심 데이터를 육두구에서 화면, SPICE 그래픽 뷰어(명령, 첫 번째 줄)로 인쇄하는 것도 가능합니다.

nutmeg 6 -> 인쇄 주파수 db(vm(3)) db(vm(13)) 인덱스 주파수 db(vm(3)) db(vm(13)) 22 0.158MHz 47.54 45.41 33 1.995MHz 46.95 372.06 5.012MHz 44.63 36.17 

인덱스 22는 Cascode vm(3)=47.5dB 및 Common-emitter vm(13)=45.4dB에 대한 중대역 dB 이득을 제공합니다. 많은 인쇄 라인 중에서 인덱스 33은 공통 이미 터 회로의 42.0dB에서 45.4dB에서 3dB에 가장 가깝습니다. 해당 인덱스 33 주파수는 공통 이미 터 대역폭인 약 2Mhz입니다. 인덱스 37 vm(3)=44.6db는 47.5db에서 약 3db 감소했습니다. 해당 Index37 주파수는 캐스코드 대역폭인 5Mhz입니다. 따라서 캐스코드 증폭기는 더 넓은 대역폭을 갖습니다. 우리는 이득의 저주파 열화에 대해 걱정하지 않습니다. 더 큰 커패시터로 해결할 수 있는 커패시터 때문입니다. 캐스코드 예제의 5MHz 대역폭은 공통 이미 터 예제보다 우수하지만 RF(무선 주파수) 증폭기의 경우에는 적합하지 않습니다. 더 높은 대역폭을 위해서는 더 낮은 전극간 커패시턴스를 갖는 한 쌍의 RF 또는 마이크로파 트랜지스터를 사용해야 합니다. RF 듀얼 게이트 MOSFET이 발명되기 전에는 BJT 캐스코드 증폭기가 UHF(초고주파) TV 튜너에서 발견될 수 있었습니다.

검토

<울>

캐스코드 증폭기는 공통 베이스 스테이지의 에미터에 의해 로드된 공통 에미터 스테이지로 구성됩니다.

무거워진 C-E 스테이지는 밀러 효과를 극복하는 1의 낮은 게인을 가지고 있습니다.

캐스코드 증폭기는 이득이 높고 입력 임피던스가 적당히 높으며 출력 임피던스가 높으며 대역폭이 높습니다.

관련 워크시트:

<울>

클래스 A BJT 증폭기 워크시트