O Amplificador Cascode

Embora o amplificador C-B (base comum) seja conhecido por sua largura de banda mais ampla do que a configuração C-E (emissor comum), a baixa impedância de entrada (10s de Ω) do C-B é uma limitação para muitas aplicações. A solução é preceder o estágio C-B por um estágio C-E de baixo ganho que tem impedância de entrada moderadamente alta (kΩs).

Os estágios estão em um cascode configuração empilhada em série, em vez de em cascata para uma cadeia de amplificadores padrão.

"Capacitor acoplado ao amplificador emissor comum de três estágios" Capacitor acoplado para um exemplo de cascata. A configuração do amplificador cascode tem largura de banda ampla e uma impedância de entrada moderadamente alta.



O amplificador cascode é um emissor comum e uma base comum combinados. Este é um circuito CA equivalente com baterias e capacitores substituídos por curto-circuitos.

Capacitância da largura de banda e o efeito Miller

A chave para entender a ampla largura de banda da configuração do cascode é o efeito Miller . O efeito Miller é a multiplicação da capacitância de base do coletor de roubo de largura de banda pelo ganho de voltagem A v . Esta capacitância C-B é menor do que a capacitância E-B. Assim, poderíamos pensar que a capacitância C-B teria pouco efeito. No entanto, na configuração C-E, o sinal de saída do coletor está defasado com a entrada na base. O sinal do coletor capacitivamente acoplado de volta se opõe ao sinal de base. Além disso, o feedback do coletor é (1-Av) vezes maior do que o sinal de base. Lembre-se de que Av é um número negativo para o amplificador C-E inversor. Assim, a pequena capacitância C-B aparece (1+ | Av |) vezes maior do que seu valor real. Este feedback de redução de ganho capacitivo aumenta com a frequência, reduzindo a resposta de alta frequência de um amplificador C-E.

O ganho de tensão aproximado do amplificador C-E na Figura abaixo é -RL / rEE. A corrente do emissor é ajustada para 1,0 mA por polarização. REE =26mV / IE =26mV / 1,0mA =26 Ω. Assim, Av =-RL / REE =-4700/26 =-181. A folha de dados pn2222 lista Ccbo =8 pF. [FAR] A capacitância do miller é Ccbo (1-Av). Ganho Av =-181, negativo por se tratar de ganho de inversão. Cmiller =Ccbo (1-Av) =8pF (1 - (- 181) =1456pF

Uma configuração de base comum não está sujeita ao efeito Miller porque a base aterrada protege o sinal do coletor de ser realimentado para a entrada do emissor. Assim, um amplificador C-B tem melhor resposta de alta frequência. Para ter uma impedância de entrada moderadamente alta, o estágio C-E ainda é desejável. A chave é reduzir o ganho (para cerca de 1) do estágio C-E, que reduz o feedback C-B do efeito Miller para 1 · CCBO. O feedback C-B total é a capacitância de feedback 1 · CCB mais a capacitância real CCB para um total de 2 · CCBO. Esta é uma redução considerável de 181 · CCBO. A capacitância do miller para um ganho de estágio -2 C-E é Cmiller =Ccbo (1-Av) =Cmiller =Ccbo (1 - (- 1)) =Ccbo · 2.

A maneira de reduzir o ganho do emissor comum é reduzir a resistência da carga. O ganho de um amplificador C-E é de aproximadamente RC / RE. A resistência do emissor interno rEE na corrente do emissor de 1mA é 26Ω. Para obter detalhes sobre o 26Ω, consulte “Derivação de REE”, consulte REE. A carga do coletor RC é a resistência do emissor do estágio C-B carregando o estágio C-E, 26Ω novamente. O ganho do amplificador de ganho CE é aproximadamente Av =RC / RE =26/26 =1. Esta capacitância Miller é Cmiller =Ccbo (1-Av) =8pF (1 - (- 1) =16pF. Agora temos um estágio CE de impedância de entrada moderadamente alta sem sofrer o efeito Miller, mas nenhum ganho de tensão CE dB. O estágio CB fornece um ganho de alta tensão, AV =-181. O ganho de corrente do cascode é β do estágio CE, 1 para o CB, β geral. Assim, o cascode tem impedância de entrada moderadamente alta do CE, bom ganho e boa largura de banda de o CB.



SPICE:Cascode e emissor comum para comparação.

Cascode vs. Comparação de amplificador de emissor comum

A versão SPICE de um amplificador cascode e, para comparação, um amplificador emissor comum é mostrada na Figura acima. A netlist está na tabela abaixo. A fonte AC V3 aciona ambos os amplificadores através do nó 4. Os resistores de polarização para este circuito são calculados em um exemplo de código de caso de problema.



Formas de onda SPICE. Observe que a entrada é multiplicada por 10 para visibilidade.

netlist SPICE para impressão de tensões de entrada e saída AC.

 * Circuito SPICE <03502.eps> do 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 (é =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. 

As formas de onda na Figura acima mostram a operação do estágio cascode. O sinal de entrada é exibido multiplicado por 10 para que possa ser mostrado com as saídas. Observe que ambas as saídas Cascode, Common-emissor e Va (ponto intermediário) são invertidas da entrada. Tanto o emissor Cascode quanto o emissor comum têm saídas de grande amplitude. O ponto Va tem um nível DC de cerca de 10 V, cerca de meio caminho entre 20 V e o terra. O sinal é maior do que pode ser explicado por um ganho C-E de 1, é três vezes maior do que o esperado.



Cascode vs banwidth de emissor comum.

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A Figura acima mostra a resposta de frequência para ambos os amplificadores cascode e emissor comum. As declarações do SPICE responsáveis ​​pela análise de AC, extraídas da listagem:

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

Observe que “ac 1” é necessário no final da instrução V3. O cascode tem ganho de banda média marginalmente melhor. No entanto, estamos procurando principalmente pela largura de banda medida nos pontos de -3dB, abaixo do ganho de banda média para cada amplificador. Isso é mostrado pelas linhas sólidas verticais na Figura acima. Também é possível imprimir os dados de interesse da noz-moscada para a tela, o visualizador gráfico SPICE (comando, primeira linha):

 noz-moscada 6 -> frequência de impressão db (vm (3)) db (vm (13)) Índice de frequência db (vm (3)) db (vm (13)) 22 0,158 MHz 47,54 45,41 33 1,995 MHz 46,95 42,06 37 5,012 MHz 44,63 36,17 

O índice 22 dá o ganho de dB de banda média para Cascode vm (3) =47,5 dB e emissor comum vm (13) =45,4 dB. De muitas linhas impressas, o Índice 33 foi o mais próximo de ser 3dB abaixo de 45,4dB a 42,0dB para o circuito emissor comum. A frequência do Índice 33 correspondente é de aproximadamente 2 MHz, a largura de banda do emissor comum. O índice 37 vm (3) =44,6 db é aproximadamente 3 db abaixo de 47,5 db. A frequência correspondente do Index37 é 5Mhz, a largura de banda do cascode. Assim, o amplificador cascode tem uma largura de banda mais ampla. Não estamos preocupados com a degradação do ganho de baixa frequência. Isso se deve aos capacitores, o que poderia ser remediado com os maiores. A largura de banda de 5 MHz de nosso exemplo de cascode, embora melhor do que o exemplo de emissor comum, não é exemplar para um amplificador de RF (radiofrequência). Um par de transistores de RF ou micro-ondas com capacitâncias intereletrodos mais baixas deve ser usado para uma largura de banda maior. Antes da invenção do MOSFET de porta dupla RF, o amplificador BJT cascode poderia ter sido encontrado em sintonizadores de TV UHF (ultra-alta frequência).

REVER

• Um cascode amplificador consiste em um estágio de emissor comum carregado pelo emissor de um estágio de base comum.
• O estágio C-E altamente carregado tem um baixo ganho de 1, superando o efeito Miller
• Um amplificador cascode tem um alto ganho, uma impedância de entrada moderadamente alta, uma impedância de saída alta e uma largura de banda alta.

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