캐스코드 증폭기: 공통 에미터와 공통 베이스의 결합으로 광대역·고입력 임피던스 구현

공통 베이스(C-B) 증폭기는 공통 에미터(C-E) 스테이지보다 넓은 대역폭을 제공하지만, 입력 임피던스가 수십 옴에 불과해 용도가 제한됩니다. 일반적인 해결책은 킬로옴 범위의 높은 입력 임피던스를 제공하는 저이득 C-E 드라이버를 C-B 스테이지 앞에 배치하는 것입니다.

이 스테이지들은 기존 증폭기 체인처럼 캐스케이드 연결이 아닌, 직렬로 적층된 캐스코드(cascode) 구성으로 배치됩니다.

일반적인 커패시터 결합 3단 공통 에미터 증폭기에서 캐스코드 토폴로지가 사용됩니다. 이는 넓은 대역폭과 적당히 높은 입력 임피던스를 동시에 제공합니다.

캐스코드 증폭기는 공통 에미터 스테이지와 공통 베이스 스테이지를 결합합니다. AC 분석에서 전원과 DC 결합 커패시터는 단락으로 모델링됩니다.

대역폭, 커패시턴스, 밀러 효과

캐스코드의 확장된 대역폭은 밀러 효과에서 기인합니다. C-E 스테이지에서 컬렉터-베이스 커패시턴스(Ccbo)는 전압 이득(Av)의 크기만큼 곱해집니다. Ccbo는 이미터-베이스 커패시턴스보다 작지만, 컬렉터 노드는 베이스 입력과 180° 위상 차이가 있습니다. Ccbo를 통한 피드백은 물리적 커패시턴스의 (1+|Av|)배로 나타나, 독립형 C-E 증폭기의 고주파 응답을 제한합니다.

아래 그림의 C-E 증폭기 근사 전압 이득은 Av = –RL/rEE입니다. 이미터 전류 1.0mA에서 이미터 저항은 REE = 26mΩ/IE = 26Ω. 따라서 Av = –RL/REE = –4700/26 ≈ –181. PN2222 데이터시트상 Ccbo = 8pF.[FAR] 밀러 커패시턴스는 Cmiller = Ccbo(1–Av) = 8pF × (1–(–181)) ≈ 1456pF가 됩니다.

공통 베이스 구성은 접지된 베이스가 컬렉터로부터 이미터 입력으로의 피드백을 차단하므로 밀러 효과의 영향을 받지 않습니다. 결과적으로 C-B 증폭기는 우수한 고주파 성능을 보입니다. C-E 스테이지의 이점을 유지하면서 적당히 높은 입력 임피던스를 얻기 위해, C-E 스테이지를 약 1의 낮은 전압 이득으로 바이어스합니다. 이는 밀러 배율을 2×Ccbo로 줄입니다.

C-E 이득을 낮추는 핵심은 부하 저항을 낮추는 것입니다. C-E 증폭기 전압 이득은 약 RC/RE입니다. 내부 이미터 저항 rEE ≈ 26Ω(1mA 기준), 컬렉터 부하 RC를 C-B 스테이지의 이미터(26Ω)와 같게 하면 이득은 Av = RC/RE ≈ 1이 됩니다. 밀러 커패시턴스는 Cmiller = Ccbo(1–Av) = 8pF × (1–(–1)) = 16pF로 감소합니다. 이제 밀러 효과가 거의 없고 상당한 전압 이득은 없는 C-E 스테이지를 가지게 됩니다. 후속 C-B 스테이지가 높은 전압 이득(Av ≈ –181)을 제공합니다. 캐스코드의 전체 전류 이득은 C-E 스테이지의 β와 같아 견고한 전체 β를 제공합니다.

SPICE: 캐스코드 대 공통 에미터 증폭기 비교.

캐스코드 vs 공통 에미터 증폭기 비교

아래 SPICE 시뮬레이션은 캐스코드 증폭기와 표준 공통 에미터 증폭기를 비교합니다. AC 소스 V3가 노드 4를 통해 두 스테이지를 구동합니다. 바이어스 저항은 예제 문제와 같이 계산됩니다.

SPICE 파형. 입력은 가시성을 위해 10배 증폭되어 표시됩니다.

AC 입력 및 출력 전압 출력을 위한 SPICE 넷리스트.

 *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 

파형은 캐스코드의 동작을 보여줍니다. 입력 신호는 명확성을 위해 10배로 표시됩니다. 캐스코드와 공통 에미터 출력 모두 입력에 대해 반전되며, 캐스코드가 약간 더 높은 미드밴드 이득을 달성합니다. 아래 주파수 응답 플롯은 각 증폭기의 -3dB 대역폭을 보여줍니다.

참고: 이 섹션은 부정확성을 포함할 수 있으며 수정이 필요합니다. 페이지 하단의 주석을 참조하세요.

아래 그림은 두 증폭기의 주파수 응답을 보여줍니다. AC 분석을 담당하는 SPICE 명령은 리스팅에서 추출되었습니다:

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

캐스코드는 미드밴드 이득에서 약간 더 우수합니다. -3dB 포인트에서 캐스코드는 약 5MHz에 도달하는 반면, 공통 에미터 스테이지는 2MHz 근처에서 끝납니다. 따라서 캐스코드가 더 넓은 대역폭을 제공합니다. 저주파 롤오프는 커플링 커패시터가 지배하며, 더 큰 값으로 완화할 수 있습니다. RF 응용에서는 더 높은 대역폭을 위해 저간극 커패시턴스 트랜지스터 쌍을 권장합니다. 역사적으로 BJT 캐스코드 증폭기는 듀얼 게이트 MOSFET 등장 전까지 UHF TV 튜너에 사용되었습니다.

복습

• 캐스코드 증폭기는 공통 베이스 스테이지의 이미터에 의해 로드된 공통 에미터 스테이지로 구성됩니다.
• 강하게 로드된 C-E 스테이지는 낮은 이득(~1)을 가지며, 이는 밀러 효과를 완화합니다.
• 캐스코드 증폭기는 높은 전압 이득, 적당한 입력 임피던스, 높은 출력 임피던스, 넓은 대역폭을 제공합니다.

관련 워크시트

• Class A BJT 증폭기 워크시트