Каскодный усилитель: принцип работы и применение.

Введение

Двухкаскадный усилитель в электронной схеме.

Каскод – это двухкаскадный усилитель, состоящий из каскада с общим эмиттером, подключенного к каскаду с общей базой при использовании биполярных транзисторов (BJT), или, альтернативно, каскада с общим истоком, подключенного к каскаду с общим затвором при использовании полевых транзисторов (FET). Поскольку прямой связи между выходом и входом нет, эффект Миллера устраняется, что обеспечивает значительно большую полосу пропускания. По сравнению с однокаскадным усилителем, эта комбинация может обладать одной или несколькими из следующих характеристик: более высокой гальванической развязкой между входом и выходом, более высоким входным импедансом, высоким выходным импедансом, большей полосой пропускания.

История

Использование каскода (иногда рассматриваемого как глагол "каскодировать") — распространенный метод повышения производительности аналоговых схем, применимый как к вакуумным лампам, так и к транзисторам. Название "каскод" было предложено в статье Фредерика Винтона Ханта и Роджера Уэйна Хикмана в 1939 году при обсуждении применения стабилизаторов напряжения. Они предложили каскад из двух триодов (первый с общей катодной схемой, второй с общей сеткой) в качестве замены пентода, поэтому название, вероятно, является сокращением от "casc(адный триодный усилитель, обладающий характеристиками, схожими с пентодом, но с меньшим уровнем шума)". Каскодные схемы использовались в ранних телевизорах в "начальной части" или тюнере благодаря их низкому уровню шума и большей полосе пропускания. Биполярные транзисторы имеют паразитическую ёмкость между коллектором и базой в диапазоне от долей пикофарада до нескольких пикофарад. Эффект Миллера означает, что когда эта ёмкость включена в контур обратной связи, она приводит к увеличению эффективной входной ёмкости, пропорциональному коэффициенту усиления: обратная связь ёмкостью всего 1,0 пФ в схеме с усилением напряжения 50 приводит к эффективной входной ёмкости 50 пФ. Хотя этого можно избежать в радиочастотных и резонансных схемах путем "нейтрализации" обратной связи, это сложнее сделать в широкополосных схемах, таких как видеоусилители, полоса пропускания которых варьируется от аналогового телевидения (около 5 МГц для PAL) до как минимум 86 МГц в устаревшем формате VGA (UXGA, 1600 x 1200, частота обновления 60 Гц). Видеоусилители не могут эффективно работать на таких высоких частотах при значительной обратной связи между базой и коллектором, поэтому каскод, с его очень низкой эффективной ёмкостью обратной связи, является предпочтительной схемой для видеоусилителей в мониторах на ЭЛТ.

Операция

На рисунке 1 показан пример каскодного усилителя с усилителем с общим источником в качестве входной ступени, управляемой источником сигнала Vin. Эта входная ступень управляет усилителем с общим затвором в качестве выходной ступени, с выходным сигналом Vout. Когда нижний FET проводит ток, он изменяет напряжение на истоке верхнего FET, а верхний FET проводит из-за изменения потенциала между его затвором и истоком. Основное преимущество данной схемы заключается в том, что верхний полевой транзистор (FET) используется в качестве нагрузки на выходной терминал (сток) входного (нижнего) FET. Поскольку на рабочих частотах затвор верхнего FET эффективно заземлен, напряжение на истоке верхнего FET (и, следовательно, на стоке входного транзистора) поддерживается почти постоянным в процессе работы. Иными словами, верхний FET имеет низкое входное сопротивление относительно нижнего FET, что делает усиление по напряжению нижнего FET очень малым и значительно снижает емкость обратной связи по эффекту Миллера между стоком и затвором нижнего FET. Эта потеря усиления компенсируется верхним FET. Таким образом, верхний транзистор позволяет нижнему FET работать с минимальной отрицательной (Миллеровской) обратной связью, улучшая его полосу пропускания. Затвор верхнего FET электрически заземлен, поэтому заряд и разряд паразитной емкости Cdg между стоком и затвором происходят только через RD и выходную нагрузку (например, Rout), и частотная характеристика изменяется только на частотах выше соответствующей RC-постоянной времени τ = Cdg RD//Rout, то есть f = 1/(2πτ) – довольно высокой частоты, поскольку Cdg мала. То есть, затвор верхнего FET не подвержен усилению Миллера емкости Cdg. Если бы верхняя ступень FET работала самостоятельно, используя свой исток в качестве входного узла (то есть в конфигурации с общим затвором (CG)), она имела бы хорошее усиление по напряжению и широкую полосу пропускания. Однако ее низкий входной импеданс ограничил бы ее применение для драйверов напряжения с очень низким импедансом. Добавление нижнего FET обеспечивает высокий входной импеданс, позволяя каскодной ступени управляться источником с высоким импедансом. Если заменить верхний FET типичной индуктивно-резистивной нагрузкой и снять выход с истока входного транзистора (то есть использовать конфигурацию с общим истоком (CS)), конфигурация CS обеспечит тот же входной импеданс, что и каскод, но каскодная конфигурация обеспечит потенциально большее усиление и значительно большую полосу пропускания.

Figure 1 shows an example of a cascode amplifier with a common source amplifier as the input stage driven by a signal source, Vin. This input stage drives a common gate amplifier as the output stage, with output signal Vout. As the lower FET conducts it changes the upper FET's source voltage, and the upper FET conducts due to the changed potential between its gate and source. The major advantage of this circuit arrangement stems from the placement of the upper field effect transistor (FET) as the load of the input (lower) FET's output terminal (drain). Because at operating frequencies the upper FET's gate is effectively grounded, the upper FET's source voltage (and therefore the input transistor's drain) is held at nearly constant voltage during operation. In other words, the upper FET exhibits a low input resistance to the lower FET, making the voltage gain of the lower FET very small, which dramatically reduces the Miller effect feedback capacitance from the lower FET's drain to gate. This loss of voltage gain is recovered by the upper FET. Thus, the upper transistor permits the lower FET to operate with minimal negative (Miller) feedback, improving its bandwidth. The upper FET gate is electrically grounded, so charge and discharge of the stray capacitance, Cdg, between drain and gate is simply through RD and the output load (say Rout), and the frequency response is affected only for frequencies above the associated RC time constant τ = Cdg RD//Rout, namely f = 1/(2πτ), a rather high frequency because Cdg is small. That is, the upper FET gate does not suffer from Miller amplification of Cdg. If the upper FET stage were operated alone using its source as input node (that is, common gate (CG) configuration), it would have a good voltage gain and wide bandwidth. However, its low input impedance would limit its usefulness to very low impedance voltage drivers. Adding the lower FET results in a high input impedance, allowing the cascode stage to be driven by a high impedance source. If one were to replace the upper FET with a typical inductive/resistive load and take the output from the input transistor's drain (that is, a common source (CS) configuration), the CS configuration would offer the same input impedance as the cascode, but the cascode configuration would offer a potentially greater gain and much greater bandwidth.

Стабильность

Устройство каскода также очень стабильно. Его выход эффективно изолирован от входа как электрически, так и физически. На нижнем транзисторе напряжение на стоке и истоке практически постоянно, поэтому практически ничего не возвращается на его затвор. На верхнем транзисторе напряжение на затворе и истоке также практически постоянно. Таким образом, значительное напряжение присутствует только на входе и выходе, которые разделены центральной точкой с почти постоянным напряжением и физическим расстоянием между двумя транзисторами. Следовательно, на практике обратная связь от выхода к входу минимальна. Металлическая экранировка между двумя транзисторами эффективна, легко реализуется и обеспечивает еще большую изоляцию при необходимости. Это было бы сложно реализовать в схемах с одним транзистором, которым на высоких частотах потребовалась бы нейтрализация.

Склонность

Как показано, схема каскода с использованием двух последовательно включенных полевых транзисторов накладывает определенные ограничения на эти транзисторы — а именно, верхний полевой транзистор должен быть смещен таким образом, чтобы напряжение на его истоке было достаточно высоким (в противном случае напряжение на стоке нижнего транзистора может опуститься слишком низко, что приведет к его насыщению). Обеспечение этого условия требует тщательного подбора пары транзисторов или специальной схемы смещения верхнего транзистора, что увеличивает стоимость. Схема каскода может быть реализована и с использованием биполярных транзисторов, или МОП-транзисторов, или даже одного полевого транзистора (или МОП-транзистора) и одного биполярного транзистора. Такая схема была широко распространена в телевизионных тюнерах ВЧ (VHF) диапазона, когда в них использовались вакуумные лампы.

Преимущества

Устройство каскода обеспечивает высокий коэффициент усиления, широкую полосу пропускания, высокую скорость нарастания, высокую стабильность и высокое входное сопротивление. Поскольку это схема из двух транзисторов, количество компонентов в ней очень невелико.

Недостатки

Для работы каскодной схемы требуются два транзистора и относительно высокое напряжение питания. В двухтранзисторной каскодной схеме на полевых транзисторах оба транзистора должны быть смещены с достаточным напряжением сток-исток (VDS) в рабочем режиме, что определяет минимальное значение напряжения питания.

Версия с двумя дверями

Двухзатворный MOSFET часто функционирует как "однотранзисторный" каскод. Распространенный в предварительных каскадах высокочувствительных ВЧ-приемников, двухзатворный MOSFET работает как усилитель с общим источником, при этом первичный затвор (обычно обозначаемый как "Затвор 1" производителями MOSFET) подключен к входу, а второй затвор заземлен (шунтирован). Внутри имеется один канал, перекрытый двумя соседними затворами; следовательно, полученная схема электрически представляет собой каскод, состоящий из двух полевых транзисторов, а общее соединение нижнего стока с верхним истоком является лишь той частью единого канала, которая физически расположена вблизи границы между двумя затворами.

Смеситель в супергетеродинных приемниках

Каскодная схема очень полезна в качестве умножающего смесителя в супергетеродинных приемниках. К нижнему затвору подается ВЧ-сигнал, а к верхнему затвору – сигнал местного осциллятора. Оба сигнала умножаются смесителем, а разностная частота, являющаяся промежуточной частотой, снимается с верхнего стока каскодного смесителя. Это было далее развито путем каскодирования целых дифференциальных усилительных каскадов для создания сбалансированного смесителя, а затем – двойного сбалансированного смесителя типа Гилберта.

Другие применения

С появлением интегральных схем транзисторы стали недорогими с точки зрения занимаемой площади на кристалле. Особенно в MOSFET-технологии, каскодное включение может использоваться в схемах токовых зеркал для увеличения выходного сопротивления источника тока. Модифицированная схема каскода также может применяться в качестве модулятора, в частности для амплитудной модуляции. Верхний транзистор подает аудиосигнал, а нижний – является RF-усилителем. Каскод также можно комбинировать с волноводом напряжения для создания транзистора высокого напряжения. Входной транзистор может быть любого типа с низким UCEO, а остальные, работающие как последовательные линейные стабилизаторы напряжения, должны выдерживать значительную долю напряжения питания. Следует отметить, что для обеспечения большого размаха выходного напряжения их базовые напряжения не следует шунтировать конденсаторами на землю, а верхний резистор волновода должен выдерживать полное напряжение питания. Это показывает, что последовательный линейный стабилизатор напряжения фактически является буфером тока с измененными обозначениями входа и выхода.

Параметры двух портов

Конфигурация каскода может быть представлена как простой усилитель напряжения (или, точнее, как двухполюсная сеть с параметрами g) посредством использования его входного сопротивления, выходного сопротивления и коэффициента усиления по напряжению. Эти параметры соотносятся с соответствующими параметрами g, представленными ниже. Другие полезные характеристики, такие как полоса пропускания и динамический диапазон, здесь не рассматриваются.

Высокочастотная конструкция

При высоких частотах паразитные емкости транзисторов (затвор-сток, затвор-исток, сток-подложка и биполярные эквиваленты) необходимо учитывать в гибридных π-моделях для получения точной частотной характеристики. Цели проектирования также отличаются от стремления к максимальному общему усилению, как это описано выше для схем низкой частоты. В высокочастотных схемах обычно требуется согласование импедансов на входе и выходе усилителя для устранения отражений сигнала и максимизации коэффициента усиления по мощности. В каскодном включении изоляция между входным и выходным портами по-прежнему характеризуется небольшим обратным коэффициентом передачи g12, что упрощает проектирование согласующих цепей, поскольку усилитель является приблизительно односторонним.