Кіріспе

Электрондық схемадағы екі сатылы күшейткіш. Каскод – екі сатылы күшейткіш, ол екіполюсті транзисторларды (BJT) пайдаланғанда ортақ эмиттерлік сатыдан ортақ базалық сатыға, ал өрістік эффектті транзисторларды (FET) пайдаланғанда ортақ көзден ортақ қақпаға тікелей қоректенетін схема. Шығысы мен кірісі арасында тікелей байланыс болмағандықтан, Миллер эффекті болдырмайды, нәтижесінде жолақтың ені артады. Жеке күшейткіш сатысымен салыстырғанда, бұл комбинация мына сипаттамалардың біріне немесе бірнешеуіне ие болуы мүмкін: жоғары кіріс-шығыс оқшаулануы, жоғары кіріс кедергісі, жоғары шығыс кедергісі, кеңірек жолақ ені.

Тарих

Каскодты пайдалану (кейде каскодтау деп аталады) – вакуумдық түтікшелер мен транзисторларға қолданылатын аналогтық тізбектердің жұмысын жақсартудың кең таралған тәсілі. "Каскод" атауы Фредерик Винтон Хант пен Роджер Уэйн Хикманның 1939 жылы жазған, кернеуді тұрақтандыру құрылғыларын қолдану туралы мақаласында келтірілген. Олар пентоданы алмастыру үшін екі триодтан тұратын каскадты ұсынды (біріншісі жалпы катодты схемамен, екіншісі жалпы тормен), сондықтан атау "casc(адамдастырылған триодты күшейткіш, сипаттамалары бір пентодаға ұқсас, бірақ шуы аз)" деген сөздердің аббревиатурасы деп есептелуі мүмкін. Каскод тізбектері төмен шу деңгейі мен кең жолақтығының арқасында алғашқы теледидарларда "алдыңғы бөлікке" немесе тюнерге қолданылды. Биполярлық қосылыс транзисторларының коллектор-базалық паразиттік сыйымдылығы төмен пикофарадтан бөлшек пикофарадқа дейін өзгереді. Миллер эффектісіне сәйкес, егер бұл сыйымдылық кері байланыс тізбегінде болса, ол тиімді кіріс сыйымдылығын күшейткіштің күшеюіне пропорционалды түрде арттырады: 50 күшеюі бар тізбекте 1,0 пФ кері байланыс сыйымдылығы 50 пФ тиімді кіріс сыйымдылығын тудырады. Бұл радиожиілікті тізбектерде/нақты тізбектерде кері байланысты "нейтралдау" арқылы жеңілуі мүмкін, бірақ кең жолақты тізбектерде, мысалы, бейне күшейткіштерде бұл қиынға соғады, олардың жолақтық ені аналогтық теледидардан (PAL үшін шамамен 5 МГц) ескі VGA форматында (UXGA, 1600 x 1200, 60 Гц жаңарту жиілігі) кем дегенде 86 МГц-ға дейін жетеді. Бейне күшейткіштер коллектор-базалық кері байланыспен мұндай жоғары жиіліктерде жұмыс істей алмайды, сондықтан каскод, өте төмен тиімді кері байланыс сыйымдылығымен, ЭКҚ негізіндегі мониторлардағы бейне күшейткіштер үшін таңдаулы дизайн болып табылады.

Операция

1-суретте сигнал көзімен (Vin) басқарылатын кіріс сатысы және ортақ бастақы күшейткішпен біріктірілген каскадты күшейткіштің мысалы көрсетілген. Бұл кіріс сатысы шығыс сатысы ретінде ортақ қақпа күшейткішін басқарады, шығыс сигналы Vout болып табылады. Төменгі FET өткізгіш болғанда, ол жоғарғы FET-тің бастапқы кернеуін өзгертеді, ал жоғарғы FET оның қақпасы мен бастапқысы арасындағы потенциалдың өзгеруіне байланысты өткізгіш болады. Бұл схемалық құрылымның басты артықшылығы жоғарғы өрістік эффектті транзистордың (FET) кіріс (төменгі) FET-тің шығыс терминалының (ағыны) жүктемесі ретінде орналасуында. Жұмыс жиіліктерінде жоғарғы FET-тің қақпасы тиімді түрде жерге қосылғандықтан, жоғарғы FET-тің бастапқы кернеуі (демек, кіріс транзисторының ағыны) жұмыс істеу кезінде дерлік тұрақты кернеуде ұсталады. Басқаша айтқанда, жоғарғы FET төменгі FET-ке төмен кіріс кедергісін ұсынады, бұл төменгі FET-тің кернеу күшейтуін өте кішкентай етеді, соның салдарынан төменгі FET-тің ағынынан қақпасына дейінгі Миллер әсерінің кері байланыс сыйымдылығы күрт төмендейді. Бұл кернеу күшейтуінің жоғалуы жоғарғы FET арқылы толықтырылады. Осылайша, жоғарғы транзистор төменгі FET-тің минималды теріс (Миллер) кері байланысымен жұмыс істеуіне мүмкіндік береді, осылайша оның өткізу қабілетін жақсартады. Жоғарғы FET-тің қақпасы электрлік түрде жерге қосылғандықтан, ағын мен қақпа арасындағы Cdg адасқан сыйымдылығының зарядталуы мен босатылуы тек RD және шығыс жүктемесі (мысалы, Rout) арқылы жүзеге асырылады, ал жиілік жауабы тек тиісті RC уақыт тұрақтысынан жоғары жиіліктерде әсер етеді: τ = Cdg RD//Rout, яғни f = 1/(2πτ), бұл Cdg кішкентай болғандықтан өте жоғары жиілік. Яғни, жоғарғы FET-тің қақпасы Cdg Миллер күшейтуінен зардап көрмейді. Егер жоғарғы FET сатысы оның бастапқысын кіріс түйіні ретінде пайдаланып (яғни, ортақ қақпа (CG) конфигурациясы) жеке жұмыс істесе, ол жақсы кернеу күшейтуіне және кең өткізу қабілетіне ие болар еді. Алайда, оның төмен кіріс кедергісі оның пайдалылығын өте төмен кедергілі кернеу драйверлерімен шектейтін болар еді. Төменгі FET-ті қосу арқасында жоғары кіріс кедергісіне қол жеткізіледі, бұл каскадты сатыны жоғары кедергілі көзден басқаруға мүмкіндік береді. Егер жоғарғы FET-ті әдеттегі индуктивті/резистивті жүктемемен ауыстырып, шығысты кіріс транзисторының ағынынан алса (яғни, ортақ бастақы (CS) конфигурациясы), CS конфигурациясы каскадпен бірдей кіріс кедергісін ұсынар еді, бірақ каскадты конфигурация әлеуетті түрде үлкен күшейтуге және әлдеқайда кең өткізу қабілетіне ие болар еді.

Тұрақтылық

Каскодтық схема да өте тұрақты. Оның шығысы кірістен электрлік және физикалық тұрғыдан жақсы оқшауланған. Төменгі транзистордың дренажы мен көзіндегі кернеу шамалы өзгереді, сондықтан оның қақпасына кері байланыс түсе қоймайды. Жоғарғы транзистордың қақпасы мен көзінде де кернеу шамалы өзгереді. Осылайша, маңызды кернеуі бар түйіндер – кіріс және шығыс ғана, ал олар шамалы өзгеретін кернеудің орталық байланысымен және екі транзистордың физикалық арақашықтығымен бөлінеді. Сөйтіп, практикада шығыстан кіріске кері байланыс өте аз. Егер қажет болса, екі транзистор арасына металл қорғаныш қою арқылы оқшаулауды одан да жақсартуға болады. Бұл бір транзисторлы күшейткіш схемаларында қиынға түседі, ондай схемалар жоғары жиіліктерде бейтараптандыруды қажет етеді.

Бәсекеге бейімделу

Көрсетілгендей, екі "үстіне орналастырылған" FET-ті пайдаланатын каскодтық тізбек екі FET-ке белгілі бір шектеулер қояды, атап айтқанда, жоғарғы FET-тің көз кернеуі жеткілікті деңгейде болуы үшін дұрыс бейімделуі керек (төменгі FET-тің ағызу кернеуі тым төменге түсіп, оны қанықтыруы мүмкін). FET-тер үшін осы шартты сақтау үшін жұпты мұқият таңдау немесе жоғарғы FET қақпасына арнайы бейімдеу қажет, бұл құнға әсер етеді. Каскодтық тізбек биполярлы транзисторларды, MOSFET-терді немесе тіпті бір FET (немесе MOSFET) пен бір BJT-ні пайдаланып құруға болады. Бұл тізбек құрылымы вакуумдық лампалар қолданылған кезде VHF теледидар тюнерлерінде кеңінен таралған.

Артықшылықтар

Каскодты схема жоғары күшейту, жоғары өткізгіштік, жоғары жылдамдық, жоғары тұрақтылық және жоғары кіріс кедергісін қамтамасыз етеді. Екі транзистордан тұратын тізбек болғандықтан, компоненттер саны өте төмен.

Кемшіліктер

Каскодтық схема екі транзисторды қажет етеді және салыстырмалы түрде жоғары қоректендіру кернеуін талап етеді. Екі FET каскоды үшін, екі транзистор да жұмыс істеу кезінде жеткілікті VDS-мен бекітілуі керек, бұл қоректендіру кернеуінің ең төменгі шегін анықтайды.

Екі қақпалы нұсқа

Екі шлюзді MOSFET көбінесе "бір транзисторлық" каскод ретінде жұмыс істейді. Жоғары сезімталдыққа ие VHF қабылдағыштардың кірістік бөлімдерінде кеңінен қолданылатын екі шлюзді MOSFET, негізгі шлюзы (MOSFET өндірушілері әдетте "гейт 1" деп атайды) кіріске қосылып, екінші шлюзы жерге тұйықталған (байланыстырылған) ортақ эмиттерлі күшейткіш ретінде жұмыс істейді. Ішінде екі жақын орналасқан шлюзбен жабылған бір арна бар; демек, нәтижесіндегі тізбек электрлік тұрғыдан екі FET-тен құралған каскод болып табылады, ортақ төменгі дренаж бен жоғарғы шығыс арасындағы қосылыс – бұл екі шлюздің шекарасына физикалық жағынан жақын орналасқан бір арнаның бөлігі ғана.

Супергетеродин қабылдағыштарындағы араластырғыш

Каскодтық схема супергетеродинді қабылдағыштарда көбейтуші араластырғыш схемасы ретінде өте пайдалы. Төменгі қақпада радиожиілік (RF) сигналы араластырғышқа беріледі, ал жоғарғы қақпада жергілікті генератор сигналы араластырғышқа беріледі. Екі сигнал да араластырғышпен көбейтіледі, содан кейін айырмашылық жиілігі, яғни аралық жиілік, каскодтық араластырғыштың жоғарғы шығысынан алынады. Бұл одан әрі дамытылып, бүтін дифференциалдық күшейткіш сатыларын каскодтау арқылы теңгерімді араластырғыш, ал кейін Гилберт ұяшықтық қос теңгерімді араластырғыш құрылды.

Басқа қолданбалар

Интегралды схемалардың дамуымен транзисторлар кремнийлік кристалдық ауданы тұрғысынан арзанға айналды. Әсіресе MOSFET технологиясында, шығыс тогының шығыс кедергісін арттыру үшін ток көпірлерінде каскодтау қолданылуы мүмкін. Каскодтың модификацияланған түрі модулятор ретінде, әсіресе амплитудалық модуляция үшін қолданылуы мүмкін. Жоғарғы құрылғы аудио сигналды жеткізеді, ал төменгісі – радиожиілік күшейткіш құрылғысы болып табылады. Каскодты кернеу тізбегімен біріктіре отырып, жоғары кернеулі транзистор жасауға болады. Кіріс транзисторы кез келген төмен UCEO типіне жатуы мүмкін, ал қалғандары, тізбектелген сызықтық кернеу реттегіштері ретінде жұмыс істейтін болғандықтан, қуат көзі кернеуінің елеулі бөлігіне төтеп беруге қабілетті болуы керек. Үлкен шығыс кернеуінің өзгеруі үшін олардың базалық кернеулерін конденсаторлар арқылы жерге түсірмеу қажет, сондай-ақ ең жоғарғы тізбектік кедергі қуат көзінің толық кернеуіне төтеп беруге тиіс. Бұл сызықтық тізбекті кернеу реттегішінің іс жүзінде кіріс және шығыс терминалдары ауыстырылған ток буфері екенін көрсетеді.

Екі портты параметрлер

Каскодты конфигурацияны кіріс кедергісі, шығыс кедергісі және кернеу күшейту коэффициентін пайдаланып қарапайым кернеу күшейткіші (немесе, дәлірек айтқанда, g параметрлі екі порттық желі) ретінде бейнелеуге болады. Бұл параметрлер төменде көрсетілген g параметрлерімен байланысты. Байланыс жолағы мен динамикалық диапазон сияқты басқа да пайдалы қасиеттер бұл жерде қарастырылмаған.

Жоғары жиілікті жобалау

Жоғары жиіліктерде транзисторлардың паразиттік сыйымдылықтары (қақпадан дренажға, қақпадан бастапқыға, дренаждан корпусқа және биполярлы эквиваленттері) жиілік жауабын дәл анықтау үшін гибридті π модельдеріне қосылуы тиіс. Жобалау мақсаттары төмен жиілікті жобалауда сипатталған жалпы жоғары күшейтуге назар аударудан өзгеше. Жоғары жиілікті тізбектерде сигналдың керілуін болдырмау және қуат күшейтуді максималды деңгейге жеткізу үшін күшейткіштің кіріс және шығыс бөліктерінде импеданс сәйкестігі қажет болады. Каскод схемасында кіріс және шығыс порттары арасындағы оқшаулау әлі де шағын кері тарату коэффициенті g12 арқылы сипатталады, бұл күшейткіш шамамен бір жақты болғандықтан, сәйкестендіру желілерін жобалауды жеңілдетеді.