El amplificador de Cascode

Si bien el amplificador C-B (base común) es conocido por su ancho de banda más amplio que la configuración C-E (emisor común), la baja impedancia de entrada (10 s de Ω) de C-B es una limitación para muchas aplicaciones. La solución es preceder a la etapa C-B por una etapa C-E de baja ganancia que tiene una impedancia de entrada moderadamente alta (kΩ).

Las etapas están en un cascode configuración apilada en serie, en lugar de en cascada para una cadena de amplificador estándar.

“Amplificador de emisor común de tres etapas acoplado con condensador” Condensador acoplado para un ejemplo en cascada. La configuración del amplificador cascodo tiene un ancho de banda amplio y una impedancia de entrada moderadamente alta.

El amplificador de cascodo está combinado de emisor común y base común. Este es un circuito de CA equivalente con baterías y condensadores reemplazados por cortocircuitos.

Capacitancia de ancho de banda y efecto Miller

La clave para comprender el ancho de banda amplio de la configuración del cascodo es el efecto Miller . El efecto Miller es la multiplicación de la capacitancia base del colector que roba el ancho de banda por la ganancia de voltaje A v . Esta capacitancia C-B es menor que la capacitancia E-B. Por lo tanto, uno pensaría que la capacitancia C-B tendría poco efecto. Sin embargo, en la configuración C-E, la señal de salida del colector está desfasada con la entrada en la base. La señal del colector acoplada capacitivamente de nuevo se opone a la señal base. Además, la retroalimentación del colector es (1-Av) veces mayor que la señal base. Tenga en cuenta que Av es un número negativo para el amplificador C-E inversor. Por lo tanto, la pequeña capacitancia C-B parece (1+ | Av |) veces mayor que su valor real. Esta ganancia capacitiva que reduce la retroalimentación aumenta con la frecuencia, reduciendo la respuesta de alta frecuencia de un amplificador C-E.

La ganancia de voltaje aproximada del amplificador C-E en la Figura siguiente es -RL / rEE. La corriente del emisor se establece en 1,0 mA mediante polarización. REE =26mV / IE =26mV / 1.0mA =26 Ω. Por tanto, Av =-RL / REE =-4700/26 =-181. La hoja de datos pn2222 enumera Ccbo =8 pF. [FAR] La capacitancia del molinillo es Ccbo (1-Av). Gain Av =-181, negativo ya que invierte la ganancia. Cmiller =Ccbo (1-Av) =8pF (1 - (- 181) =1456pF

Una configuración de base común no está sujeta al efecto Miller porque la base conectada a tierra protege la señal del colector para que no vuelva a la entrada del emisor. Por lo tanto, un amplificador C-B tiene una mejor respuesta de alta frecuencia. Para tener una impedancia de entrada moderadamente alta, la etapa C-E sigue siendo deseable. La clave es reducir la ganancia (a aproximadamente 1) de la etapa C-E, lo que reduce la retroalimentación C-B del efecto Miller a 1 · CCBO. La retroalimentación C-B total es la capacitancia de retroalimentación 1 · CCB más la capacitancia real CCB para un total de 2 · CCBO. Esta es una reducción considerable de 181 · CCBO. La capacitancia de miller para una ganancia de -2 C-E etapa es Cmiller =Ccbo (1-Av) =Cmiller =Ccbo (1 - (- 1)) =Ccbo · 2.

La forma de reducir la ganancia del emisor común es reducir la resistencia de carga. La ganancia de un amplificador C-E es aproximadamente RC / RE. La resistencia interna del emisor rEE a 1 mA de corriente del emisor es 26 Ω. Para obtener detalles sobre 26Ω, consulte "Derivación de REE", consulte REE. La carga del colector RC es la resistencia del emisor de la etapa C-B cargando la etapa C-E, 26Ω nuevamente. La ganancia del amplificador de ganancia CE es aproximadamente Av =RC / RE =26/26 =1. Esta capacitancia de Miller es Cmiller =Ccbo (1-Av) =8pF (1 - (- 1) =16pF. Ahora tenemos una etapa CE de impedancia de entrada moderadamente alta sin sufrir el efecto Miller, pero sin ganancia de voltaje en dB CE. La etapa CB proporciona una ganancia de alto voltaje, AV =-181. La ganancia de corriente del cascodo es β de la etapa CE, 1 para el CB, β en general. Por lo tanto, el cascodo tiene una impedancia de entrada moderadamente alta del CE, buena ganancia y buen ancho de banda de el CB.

SPICE:Cascode y emisor común para comparar.

Cascode vs. Comparación de amplificador de emisor común

La versión SPICE de un amplificador cascodo y, a modo de comparación, un amplificador de emisor común se muestra en la Figura anterior. La lista de conexiones se encuentra en la tabla siguiente. La fuente de CA V3 impulsa ambos amplificadores a través del nodo 4. Las resistencias de polarización para este circuito se calculan en un cascode problema de ejemplo.

Formas de onda SPICE. Tenga en cuenta que la entrada se multiplica por 10 para obtener visibilidad.

Lista de redes SPICE para imprimir voltajes de entrada y salida de CA.

 * Circuito SPICE <03502.eps> de XCircuit v3.20 V1 19 0 10 Q1 13 15 0 q2n2222 Q2 3 2 A 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 .modelo q2n2222 npn (es =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 =0.5 n + cjc =11p tr =7n xtb =1.5 kf =0.032f af =1) .tran 1u 5m .AC DEC 10 1k 100Meg. 

Las formas de onda en la Figura anterior muestran el funcionamiento de la etapa cascodo. La señal de entrada se muestra multiplicada por 10 para que pueda mostrarse con las salidas. Tenga en cuenta que las salidas Cascode, Common-emister y Va (punto intermedio) se invierten desde la entrada. Tanto el emisor Cascode como el Common tienen salidas de gran amplitud. El punto Va tiene un nivel de CC de aproximadamente 10 V, aproximadamente a la mitad entre 20 V y tierra. La señal es más grande de lo que se puede explicar con una ganancia C-E de 1, es tres veces más grande de lo esperado.

Cascode vs ancho de banda de emisor común.

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La figura anterior muestra la respuesta de frecuencia tanto para el cascodo como para los amplificadores de emisor común. Las declaraciones de SPICE responsables del análisis de CA, extraídas del listado:

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

Tenga en cuenta que "ac 1" es necesario al final de la declaración V3. El cascodo tiene una ganancia de banda media ligeramente mejor. Sin embargo, buscamos principalmente el ancho de banda medido en los puntos de -3dB, por debajo de la ganancia de banda media para cada amplificador. Esto se muestra mediante las líneas continuas verticales en la Figura anterior. También es posible imprimir los datos de interés desde la nuez moscada a la pantalla, el visor gráfico SPICE (comando, primera línea):

 nuez moscada 6 -> frecuencia de impresión db (vm (3)) db (vm (13)) Frecuencia de índice db (vm (3)) db (vm (13)) 22 0.158MHz 47.54 45.41 33 1.995MHz 46.95 42.06 37 5,0 12 MHz 44,63 36,17 

El índice 22 da la ganancia en dB de banda media para Cascode vm (3) =47.5dB y emisor común vm (13) =45.4dB. De muchas líneas impresas, el índice 33 fue el más cercano a estar 3dB por debajo de 45.4dB a 42.0dB para el circuito de emisor común. La frecuencia correspondiente del índice 33 es de aproximadamente 2 Mhz, el ancho de banda del emisor común. Índice 37 vm (3) =44.6db es aproximadamente 3db por debajo de 47.5db. La frecuencia correspondiente del Index37 es 5Mhz, el ancho de banda del cascodo. Por lo tanto, el amplificador cascodo tiene un ancho de banda más amplio. No nos preocupa la degradación de la ganancia de baja frecuencia. Se debe a los condensadores, que podrían remediarse con otros más grandes. El ancho de banda de 5MHz de nuestro ejemplo de cascodo, aunque es mejor que el ejemplo del emisor común, no es ejemplar para un amplificador de RF (radiofrecuencia). Un par de transistores de RF o microondas con capacitancias entre electrodos más bajos deben usarse para un ancho de banda mayor. Antes de la invención del MOSFET de doble puerta de RF, el amplificador cascodo BJT podría haberse encontrado en sintonizadores de TV UHF (frecuencia ultra alta).

REVISAR

• Un cascode El amplificador consta de una etapa de emisor común cargada por el emisor de una etapa de base común.
• La etapa C-E muy cargada tiene una ganancia baja de 1, superando el efecto Miller
• Un amplificador cascodo tiene una alta ganancia, una impedancia de entrada moderadamente alta, una impedancia de salida alta y un ancho de banda alto.

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

• Hoja de trabajo de amplificadores BJT de clase A