Каскод представляет собой двухкаскадный усилитель , который состоит из каскада с общим эмиттером , питающего каскад с общей базой при использовании биполярных транзисторов (BJT) [1] [2], или, в качестве альтернативы, каскада с общим истоком , питающего каскад с общим затвором при использовании полевых транзисторов (FET).
Поскольку нет прямой связи между выходом и входом, эффект Миллера устраняется, что способствует гораздо более высокой пропускной способности. По сравнению с одним каскадом усилителя, эта комбинация может иметь одну или несколько из следующих характеристик: более высокая изоляция входа-выхода, более высокое входное сопротивление , высокое выходное сопротивление , более высокая пропускная способность .
Использование каскода (иногда называемого каскодированием ) является распространенным методом улучшения характеристик аналоговых схем , применимым как к электронным лампам , так и к транзисторам . Название «каскод» было придумано в статье, написанной Фредериком Винтоном Хантом и Роджером Уэйном Хикманом в 1939 году, в обсуждении применения стабилизаторов напряжения . [3] Они предложили каскад из двух триодов (первый с общей катодной установкой, второй с общей сеткой ) в качестве замены пентоду , и поэтому название можно считать аббревиатурой от «каскадный триодный усилитель, имеющий характеристики, аналогичные характеристикам одиночного пентода, но менее шумный». [4] Каскодные схемы использовались в ранних телевизорах для «внешнего интерфейса» или тюнера из-за их низкого уровня шума и более широкой полосы пропускания.
Биполярные транзисторы с переходом имеют паразитную емкость коллектор-база в диапазоне от низких пикофарад до дробных пикофарад. Эффект Миллера означает, что когда эта емкость находится в цепи обратной связи, она приводит к эффективной входной емкости, которая умножается на коэффициент усиления каскада: емкость обратной связи всего 1,0 пФ в схеме с коэффициентом усиления по напряжению 50 приводит к эффективной входной емкости 50 пФ. Хотя это можно преодолеть в радиочастотных цепях/настроенных схемах путем «нейтрализации» обратной связи в противофазе, с этим сложнее бороться в широкополосных цепях, таких как видеоусилители, полосы пропускания которых варьируются от аналогового телевидения (около 5 МГц для PAL) до по крайней мере 86 МГц в старом формате VGA (UXGA, 1600 x 1200, обновление 60 Гц). Видеоусилители не могут работать на столь высоких частотах с какой-либо заметной обратной связью коллектор-база, поэтому каскодная схема с ее очень низкой эффективной емкостью обратной связи является предпочтительной конструкцией для видеоусилителей в мониторах на основе ЭЛТ.
На рисунке 1 показан пример каскодного усилителя с усилителем с общим истоком в качестве входного каскада, управляемого источником сигнала V in . Этот входной каскад управляет усилителем с общим затвором в качестве выходного каскада с выходным сигналом V out .
Проводимость нижнего полевого транзистора приводит к изменению напряжения источника верхнего полевого транзистора, а верхний полевой транзистор проводит ток из-за изменения потенциала между его затвором и истоком.
Главное преимущество этой схемы заключается в размещении верхнего полевого транзистора (FET) в качестве нагрузки выходного терминала (стока) входного (нижнего) FET. Поскольку на рабочих частотах затвор верхнего FET эффективно заземлен, напряжение источника верхнего FET (и, следовательно, сток входного транзистора) поддерживается на почти постоянном уровне во время работы. Другими словами, верхний FET демонстрирует низкое входное сопротивление по отношению к нижнему FET, что делает усиление напряжения нижнего FET очень малым, что значительно снижает емкость обратной связи эффекта Миллера от стока нижнего FET до затвора. Эта потеря усиления напряжения восстанавливается верхним FET. Таким образом, верхний транзистор позволяет нижнему FET работать с минимальной отрицательной (Миллеровской) обратной связью, улучшая его полосу пропускания.
Верхний затвор полевого транзистора электрически заземлен, поэтому заряд и разряд паразитной емкости, C dg , между стоком и затвором происходит просто через R D и выходную нагрузку (скажем, R out ), а частотная характеристика влияет только на частоты выше связанной постоянной времени RC τ = C dg R D // R out , а именно f = 1/(2 πτ ), довольно высокой частоты, поскольку C dg мало. То есть верхний затвор полевого транзистора не страдает от усиления Миллера C dg .
Если бы верхний каскад FET работал отдельно, используя свой источник в качестве входного узла (то есть конфигурация с общим затвором (CG)), он имел бы хорошее усиление напряжения и широкую полосу пропускания. Однако его низкое входное сопротивление ограничило бы его полезность для драйверов напряжения с очень низким импедансом. Добавление нижнего FET приводит к высокому входному сопротивлению, что позволяет каскаду каскода управляться источником с высоким импедансом.
Если заменить верхний полевой транзистор типичной индуктивной/резистивной нагрузкой и взять выходной сигнал со стока входного транзистора (то есть конфигурация с общим истоком (CS)), то конфигурация CS обеспечит такое же входное сопротивление, как и каскодная [ сомнительно – обсудим ] , но каскодная конфигурация обеспечит потенциально большее усиление и гораздо большую полосу пропускания.
Каскодная схема также очень стабильна. Ее выход эффективно изолирован от входа как электрически, так и физически. Нижний транзистор имеет почти постоянное напряжение как на стоке, так и на истоке, и, таким образом, по сути, «нечему» возвращаться в его затвор. Верхний транзистор имеет почти постоянное напряжение на затворе и истоке. Таким образом, единственными узлами со значительным напряжением на них являются вход и выход, и они разделены центральным соединением почти постоянного напряжения и физическим расстоянием двух транзисторов. Таким образом, на практике обратная связь от выхода ко входу незначительна. Металлическое экранирование эффективно и легко обеспечивается между двумя транзисторами для еще большей изоляции, когда это необходимо. Это было бы сложно в схемах усилителей с одним транзистором, которые на высоких частотах потребовали бы нейтрализации .
Как показано, каскодная схема с использованием двух «сложенных» полевых транзисторов накладывает некоторые ограничения на два полевых транзистора, а именно, верхний полевой транзистор должен быть смещен, чтобы его напряжение источника было достаточно высоким (нижнее стоковое напряжение полевого транзистора может колебаться слишком низко, что приведет к его насыщению). Обеспечение этого условия для полевых транзисторов требует тщательного выбора пары или специального смещения затвора верхнего полевого транзистора, что увеличивает стоимость.
Каскодная схема может быть также построена с использованием биполярных транзисторов, или MOSFET, или даже одного FET (или MOSFET) и одного BJT. Такая схема была очень распространена в тюнерах VHF- телевизоров, когда они использовали электронные лампы .
Каскодная схема обеспечивает высокий коэффициент усиления, большую пропускную способность, высокую скорость нарастания , высокую стабильность и высокое входное сопротивление. Поскольку схема двухтранзисторная, количество деталей очень мало.
Каскодная схема требует два транзистора и требует относительно высокого напряжения питания. Для двухпоточного каскода оба транзистора должны быть смещены с достаточным V DS в работе, что накладывает нижний предел на напряжение питания. [ необходима цитата ]
Двухзатворный МОП-транзистор часто функционирует как «однотранзисторный» каскод [ требуется ссылка ] . Распространенный во входных каскадах чувствительных УКВ- приемников двухзатворный МОП-транзистор работает как усилитель с общим истоком, при этом первичный затвор (обычно обозначаемый производителями МОП-транзисторов как «затвор 1») подключен к входу, а второй затвор заземлен (обойден). Внутри имеется один канал, покрытый двумя соседними затворами; поэтому полученная схема электрически является каскодом, состоящим из двух полевых транзисторов, причем общее соединение нижнего стока с верхним истоком представляет собой просто ту часть одного канала, которая физически примыкает к границе между двумя затворами.
Каскодная схема очень полезна в качестве схемы умножающего смесителя в супергетеродинных приемниках. На нижнем затворе сигнал ВЧ подается на смеситель, а на верхнем затворе сигнал гетеродина подается на смеситель [ требуется ссылка ] . Оба сигнала умножаются смесителем, а разностная частота, промежуточная частота , берется с верхнего стока каскодного смесителя.
Дальнейшее развитие эта схема получила путем каскодирования целых каскадов дифференциального усилителя для формирования балансного смесителя, а затем двойного балансного смесителя на ячейке Гилберта [ требуется ссылка ] .
С ростом интегральных схем транзисторы стали дешевыми с точки зрения площади кремниевой матрицы. В частности, в технологии MOSFET каскодирование может использоваться в токовых зеркалах для увеличения выходного импеданса источника выходного тока .
Модифицированная версия каскода может также использоваться в качестве модулятора , в частности, для амплитудной модуляции . Верхнее устройство подает аудиосигнал, а нижнее является устройством усилителя ВЧ .
Каскод также может быть объединен с лестницей напряжения для формирования высоковольтного транзистора. Входной транзистор может быть любого типа CEO с низким U , в то время как другие, действуя как линейные последовательные регуляторы напряжения , должны быть способны выдерживать значительную часть напряжения питания. Обратите внимание, что при большом размахе выходного напряжения их базовые напряжения не должны быть шунтированы на землю конденсаторами, а самый верхний резистор лестницы должен быть способен выдерживать полное напряжение питания. Это показывает, что линейный последовательный регулятор напряжения на самом деле является токовым буфером с поменянными обозначениями входа и выхода .
Каскодную конфигурацию можно представить как простой усилитель напряжения (или, точнее, как g -параметрическую двухпортовую сеть ) с использованием ее входного импеданса , выходного импеданса и коэффициента усиления по напряжению . Эти параметры связаны с соответствующими g -параметрами ниже. [5] Другими полезными свойствами, не рассмотренными здесь, являются полоса пропускания схемы и динамический диапазон .
Идеализированная эквивалентная схема малого сигнала может быть построена для схемы на рисунке 2 путем замены источников тока на открытые цепи, а конденсаторы на короткие цепи, предполагая, что они достаточно велики, чтобы действовать как короткие цепи на частотах, представляющих интерес. Биполярные транзисторы могут быть представлены в схеме малого сигнала с помощью гибридной π-модели . [6]
Аналогично, параметры малого сигнала можно вывести для версии MOSFET, также заменив MOSFET его эквивалентом гибридной π-модели. Этот вывод можно упростить, заметив, что ток затвора MOSFET равен нулю, поэтому модель малого сигнала для BJT становится моделью MOSFET в пределе нулевого тока базы:
где V T — тепловое напряжение . [7]
Сочетание факторов g m r O часто встречается в приведенных выше формулах, что требует дальнейшего изучения. Для биполярного транзистора это произведение равно (см. модель гибридного пи ):
В типичном дискретном биполярном устройстве напряжение Эрли V A ≈ 100 В, а тепловое напряжение вблизи комнатной температуры составляет V T ≈ 25 мВ, что делает g m r O ≈ 4000, довольно большим числом.
Из статьи о гибридной пи-модели мы находим для МОП-транзистора в активном режиме:
В узле технологии 65 нм I D ≈ 1,2 мА/мкм ширины, напряжение питания V DD = 1,1 В; V th ≈ 165 мВ, а V ov = V GS -V th ≈ 5%V DD ≈ 55 мВ. Принимая типичную длину как удвоенную минимальную, L = 2 L min = 0,130 мкм и типичное значение λ ≈ 1/(4 В/мкм L ), мы находим 1/λ ≈ 2 В, и g m r O ≈ 110, все еще большое значение. [8] [9] Дело в том, что поскольку g m r O велико почти независимо от технологии, табличное усиление и выходное сопротивление как для MOSFET, так и для биполярного каскода очень велики. Этот факт имеет значение в последующем обсуждении.
G-параметры, найденные в приведенных выше формулах, можно использовать для построения усилителя напряжения малого сигнала с тем же коэффициентом усиления, входным и выходным сопротивлением, что и у исходного каскода (эквивалентная схема ). Эта схема применима только на частотах, достаточно низких, чтобы паразитные емкости транзистора не имели значения. На рисунке показан исходный каскод (рис. 1) и эквивалентный усилитель напряжения или g-эквивалентный двухпортовый (рис. 4). Эквивалентная схема позволяет упростить расчеты поведения схемы для различных драйверов и нагрузок. На рисунке эквивалентный источник напряжения Тевенина с сопротивлением Тевенина R S управляет усилителем, а на выходе подключен простой нагрузочный резистор R L. При использовании эквивалентной схемы входное напряжение усилителя равно (см. Делитель напряжения ):
что показывает важность использования драйвера с сопротивлением R S << R in для предотвращения затухания сигнала, поступающего в усилитель. Из приведенных выше характеристик усилителя мы видим, что R in бесконечно для каскода MOSFET, поэтому в этом случае затухания входного сигнала не происходит. Каскод BJT более ограничителен, поскольку R in = r π2 .
Аналогичным образом выходной сигнал эквивалентной схемы равен
В низкочастотных схемах обычно желательно высокое усиление напряжения, поэтому важно использовать нагрузку с сопротивлением R L >> R out , чтобы избежать затухания сигнала, достигающего нагрузки. Формулы для R out можно использовать либо для проектирования усилителя с достаточно малым выходным сопротивлением по сравнению с нагрузкой, либо, если это невозможно, для выбора модифицированной схемы, например, для добавления повторителя напряжения , который лучше соответствует нагрузке.
Предыдущая оценка показала, что выходное сопротивление каскода очень велико. Это означает, что многие сопротивления нагрузки не будут удовлетворять условию R L >> R out (важным исключением является управление MOSFET в качестве нагрузки, которая имеет бесконечное низкочастотное входное сопротивление). Однако невыполнение условия R L >> R out не является катастрофическим, поскольку коэффициент усиления каскода также очень велик. Если разработчик готов, большим коэффициентом усиления можно пожертвовать, чтобы обеспечить низкое сопротивление нагрузки; для R L << R out коэффициент усиления упрощается следующим образом:
Это усиление такое же, как и для входного транзистора, действующего в одиночку. Таким образом, даже жертвуя усилением, каскод дает такое же усиление, как и однотранзисторный усилитель крутизны, но с более широкой полосой пропускания.
Поскольку усилители имеют широкую полосу пропускания, тот же подход может определить полосу пропускания схемы при подключении нагрузочного конденсатора (с нагрузочным резистором или без него ). Необходимое предположение заключается в том, что нагрузочная емкость достаточно велика, чтобы контролировать частотную зависимость, а полоса пропускания не контролируется пренебрегаемыми паразитными емкостями самих транзисторов.
На высоких частотах паразитные емкости транзисторов (затвор-сток, затвор-исток, сток-корпус и биполярные эквиваленты) должны быть включены в гибридные π-модели для получения точной частотной характеристики. Цели проектирования также отличаются от акцента на общем высоком усилении, как описано выше для низкочастотного проектирования. В высокочастотных схемах согласование импеданса на входе и выходе усилителя обычно желательно для устранения отражений сигнала и максимизации усиления мощности . В каскоде изоляция между входными и выходными портами по-прежнему характеризуется небольшим обратным коэффициентом передачи g 12 , что упрощает проектирование согласующих цепей, поскольку усилитель является приблизительно односторонним.
