Каскод

Не путать с Каскадом (значения) .

Каскод , представляет собой двухкаскадный усилитель который состоит из каскада с общим эмиттером , питающего каскад с общей базой при использовании транзисторов с биполярным переходом (BJT). или, альтернативно, каскад с общим истоком , питающий каскад с общим затвором при использовании полевых транзисторов (FET).

Поскольку прямая связь между выходом и входом отсутствует, эффект Миллера устраняется, что способствует значительно более высокой полосе пропускания. По сравнению с одиночным каскадом усилителя эта комбинация может иметь одну или несколько из следующих характеристик: более высокая изоляция входа и выхода, более высокий входной импеданс , высокий выходной импеданс , более высокая полоса пропускания .

История

Использование каскода (иногда называемого каскодированием ) — распространенный метод улучшения характеристик аналоговых схем , применимый 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 при обсуждении применения стабилизаторов напряжения . Они предложили каскад из двух триодов (первый с общим катодом , второй с общей сеткой ) в качестве замены пентода , поэтому можно предположить, что название представляет собой аббревиатуру «каскадного триодного усилителя». имеющий характеристики, аналогичные одиночному пентоду, но менее шумные, чем у него». Каскодные схемы использовались в первых телевизорах для «внешнего интерфейса» или тюнера из-за их низкого шума и более широкой полосы пропускания.

Биполярные переходные транзисторы имеют паразитную емкость коллектор-база в диапазоне от низких до дробных пикофарад. Эффект Миллера означает, что, когда эта емкость находится в цепи обратной связи, это приводит к эффективной входной емкости, которая умножается на коэффициент усиления каскада: емкость обратной связи всего 1,0 пФ в цепи с коэффициентом усиления по напряжению 50 приводит к эффективному входному значению. емкость 50 пФ. Хотя в радиочастотных схемах/настроенных схемах это можно преодолеть путем «нейтрализации» обратной связи в противоположном направлении, с этим труднее бороться в широкополосных схемах, таких как видеоусилители, полоса пропускания которых варьируется от аналогового телевидения (около 5 МГц для PAL) до не менее 86 МГц в старом формате VGA (UXGA, 1600 x 1200, частота обновления 60 Гц). Видеоусилители не могут работать на таких высоких частотах с сколько-нибудь заметной обратной связью коллектор-база, поэтому каскад с его очень низкой эффективной емкостью обратной связи является предпочтительной конструкцией видеоусилителей в ЭЛТ-мониторах.

Операция

Рисунок 1: N -канальный каскодный усилитель класса А

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 .

Когда нижний полевой транзистор проводит ток, он изменяет напряжение истока верхнего полевого транзистора, а верхний полевой транзистор проводит ток из-за изменения потенциала между его затвором и истоком.

Основное преимущество этой схемы заключается в размещении верхнего полевого транзистора (FET) в качестве нагрузки входного (нижнего) выходного терминала (стока) полевого транзистора. Поскольку на рабочих частотах затвор верхнего полевого транзистора эффективно заземлен, напряжение истока верхнего полевого транзистора (и, следовательно, сток входного транзистора) во время работы поддерживается почти на постоянном уровне. Другими словами, верхний полевой транзистор имеет низкое входное сопротивление по отношению к нижнему полевому транзистору, что делает коэффициент усиления по напряжению нижнего полевого транзистора очень малым, что резко снижает емкость обратной связи по эффекту Миллера от стока нижнего полевого транзистора к затвору. Эта потеря коэффициента усиления по напряжению компенсируется верхним полевым транзистором. Таким образом, верхний транзистор позволяет нижнему полевому транзистору работать с минимальной отрицательной обратной связью (Миллера), 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 изменяется только для частот выше соответствующая постоянная времени RC τ = C _dg R _D // R _out , а именно f = 1/(2 πτ ), довольно высокая частота, поскольку C _dg мала. То есть верхний затвор полевого транзистора не страдает от миллеровского усиления C _dg .

Если бы верхний каскад полевого транзистора работал отдельно, используя свой источник в качестве входного узла (то есть в конфигурации с общим затвором (CG)) он имел бы хороший коэффициент усиления по напряжению и широкую полосу пропускания. Однако его низкий входной импеданс ограничивает его полезность для драйверов напряжения с очень низким импедансом. Добавление меньшего полевого транзистора приводит к высокому входному сопротивлению, что позволяет управлять каскадом каскада от источника с высоким импедансом.

Если заменить верхний полевой транзистор на типичную индуктивную/резистивную нагрузку и взять выходной сигнал со стока входного транзистора (то есть в конфигурации с общим истоком (CS)), конфигурация CS будет иметь тот же входной импеданс, что и каскод. , но каскадная конфигурация обеспечит потенциально больший коэффициент усиления и гораздо большую пропускную способность.

Стабильность

Каскодная схема также очень стабильна. Его выход эффективно изолирован от входа как электрически, так и физически. Нижний транзистор имеет почти постоянное напряжение как на стоке, так и на истоке, и поэтому по сути «нечего» подавать обратно на 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 с почти постоянным напряжением и физическим расстоянием между двумя транзисторами. Таким образом, на практике обратная связь между выходом и входом невелика. Металлическое экранирование эффективно и легко устанавливается между двумя транзисторами для еще большей изоляции, когда это необходимо. Это было бы затруднительно в схемах однотранзисторных усилителей, которые на высоких частотах потребовали бы нейтрализации .

Смещение

Как показано, каскодная схема с использованием двух «сложенных друг на друга» полевых транзисторов накладывает некоторые ограничения на два полевых транзистора, а именно: верхний полевой транзистор должен быть смещен, чтобы напряжение его истока было достаточно высоким (напряжение стока нижнего полевого транзистора может колебаться слишком низко, вызывая его насыщение). ). Обеспечение этого условия для полевых транзисторов требует тщательного подбора пары или специального смещения верхнего затвора полевого транзистора, что увеличивает стоимость.

Каскодная схема также может быть построена с использованием биполярных транзисторов или МОП-транзисторов или даже одного полевого транзистора (или МОП-транзистора) и одного биполярного транзистора. Такая схема схемы была очень распространена в УКВ телевизионных тюнерах , когда в них использовались электронные лампы .

Преимущества

Каскодная схема обеспечивает высокий коэффициент усиления, широкую полосу пропускания, высокую скорость нарастания напряжения , высокую стабильность и высокое входное сопротивление. В двухтранзисторной схеме количество деталей очень мало.

Недостатки

Каскодная схема требует двух транзисторов и относительно высокого напряжения питания. В каскаде с двумя полевыми транзисторами оба транзистора должны быть смещены с достаточным рабочим напряжением _DS , что накладывает нижний предел напряжения питания.

Версия с двумя воротами

МОП -транзистор с двойным затвором часто функционирует как каскод с одним транзистором. . Обычно используемый во входных каскадах чувствительных ОВЧ- приемников полевой МОП-транзистор с двойным затвором работает как усилитель с общим истоком, при этом первичный затвор (обычно обозначаемый производителями полевых МОП-транзисторов как «затвор 1») подключен к входу, а второй затвор заземлен (обойден). . Внутри есть один канал, перекрытый двумя соседними воротами; следовательно, результирующая схема электрически представляет собой каскад, состоящий из двух полевых транзисторов, причем общее соединение нижнего стока с верхним истоком представляет собой просто ту часть одного канала, которая физически находится рядом с границей между двумя затворами.

Смеситель в супергетеродинных приемниках

Каскодная схема очень полезна в качестве схемы умножающего смесителя в супергетеродинных приемниках. По нижнему затвору на смеситель подается ВЧ-сигнал, а по верхнему затвору гетеродина . на смеситель подается сигнал . Оба сигнала умножаются смесителем, а разностная частота — промежуточная частота — снимается с верхнего стока каскодного смесителя.

В дальнейшем это было развито путем каскадного кодирования целых каскадов дифференциального усилителя для формирования балансного смесителя, а затем с ячейкой Гилберта . двойного балансного смесителя .

Другие приложения

С появлением интегральных схем транзисторы стали дешевыми с точки зрения площади кремниевого кристалла. В частности, в технологии MOSFET может использоваться каскадирование в токовых зеркалах для увеличения выходного сопротивления источника выходного тока .

Модифицированную версию каскода можно также использовать в качестве модулятора , в частности для амплитудной модуляции . Верхнее устройство передает аудиосигнал, а нижнее — ВЧ- усилитель.

Высоковольтный стек

Каскод также можно объединить с лестницей напряжения для формирования высоковольтного транзистора. Входной транзистор может быть любого с низким U _{типа CEO} , в то время как остальные, действуя как многоуровневые линейные последовательные стабилизаторы напряжения , должны быть способны выдерживать значительную часть напряжения питания. Обратите внимание, что при большом размахе выходного напряжения их базовые напряжения не должны замыкаться на землю с помощью конденсаторов, а самый верхний резистор лестницы должен быть способен выдерживать полное напряжение питания.Это показывает, что линейный последовательный стабилизатор напряжения на самом деле представляет собой токовый буфер с поменянными местами обозначениями входа и выхода .

Двухпортовые параметры

Каскодную конфигурацию можно представить как простой усилитель напряжения (или, точнее, как с g -параметром двухпортовую сеть ), используя его входное сопротивление , выходное сопротивление и коэффициент усиления по напряжению . Эти параметры связаны с соответствующими g -параметрами, указанными ниже. Другими полезными свойствами, не рассматриваемыми здесь, являются полоса пропускания схемы и динамический диапазон .

Каскод BJT: низкочастотные параметры слабого сигнала

Рисунок 2: Каскод BJT с использованием идеальных источников тока для смещения постоянного тока и больших конденсаторов связи для заземления и источника сигнала переменного тока; конденсаторы являются короткими замыканиями для переменного тока

Идеализированную эквивалентную схему слабого сигнала можно построить для схемы, показанной на рисунке 2, заменив источники тока разомкнутыми цепями, а конденсаторы - короткозамкнутыми, предполагая, что они достаточно велики, чтобы действовать как короткое замыкание на интересующих частотах. BJT могут быть представлены в схеме слабого сигнала с помощью гибридной π-модели .

	Определение	Выражение
Усиление напряжения	$A_{\text{v}}=g_{21}=\left.{\frac {v_{\text{out}}}{v_{\text{in}}}}\right|_{i_{\text{out}}=0}$	$-g_{m2}(r_{\pi 1}//r_{{\text{O}}2})(g_{m1}r_{{\text{O}}1}+1)$
Входное сопротивление	$R_{\text{in}}={\frac {1}{g_{11}}}=\left.{\frac {v_{\text{in}}}{i_{\text{in}}}}\right|_{i_{\text{out}}=0}$	$r_{\pi 2}$
Выходное сопротивление	$R_{\text{out}}=g_{22}=\left.{\frac {v_{\text{out}}}{i_{\text{out}}}}\right|_{v_{\text{in}}=0}$	$r_{{\text{O}}1}+(g_{m1}r_{{\text{O}}1}+1)(r_{\pi 1}//r_{{\text{O}}2})$

Каскод MOSFET: низкочастотные параметры слабого сигнала

Рисунок 3: Каскод MOSFET с использованием идеальных источников напряжения для смещения затвора постоянного тока и источника постоянного тока в качестве активной нагрузки. Поскольку каждый MOSFET-транзистор имеет соединенные затвор и исток, эта конфигурация действительна только для дискретных 3-выводных компонентов.

Аналогично, параметры слабого сигнала могут быть получены для версии MOSFET, также заменяя 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 базового тока:

$I_{B}\to 0\Rightarrow r_{\pi }={\frac {V_{T}}{I_{B}}}\to \infty ,$

где V _T – тепловое напряжение .

	Определение	Выражение
Усиление напряжения	${A_{\mathrm {v} }}=g_{21}={\begin{matrix}{v_{\mathrm {out} } \over v_{\mathrm {in} }}\end{matrix}}{\Big |}_{i_{out}=0}$	${-(g_{\mathrm {m1} }r_{\mathrm {O1} }+1)g_{\mathrm {m2} }r_{\mathrm {O2} }}$
Входное сопротивление	$R_{\mathrm {in} }={\begin{matrix}{\frac {1}{g_{11}}}\end{matrix}}={\begin{matrix}{\frac {v_{in}}{i_{in}}}\end{matrix}}{\Big |}_{i_{out}=0}$	$\infty$
Выходное сопротивление	$R_{\mathrm {out} }=g_{22}={\begin{matrix}{\frac {v_{out}}{i_{out}}}\end{matrix}}{\Big |}_{v_{in}=0}$	$\left(r_{\mathrm {O1} }+r_{\mathrm {O2} }\right)\left(1+g_{\mathrm {m1} }(r_{\mathrm {O1} }//r_{\mathrm {O2} })\right)$

Комбинация коэффициентов g _m r _O часто встречается в приведенных выше формулах, что требует дальнейшего изучения. Для биполярного транзистора это произведение (см. модель гибридного пи ):

$g_{m}r_{O}={\frac {I_{C}}{V_{T}}}{\frac {V_{A}+V_{CE}}{I_{C}}}={\frac {V_{A}+V_{CE}}{V_{T}}}.$

В типичном дискретном биполярном устройстве раннее напряжение V _A ≈ 100 В, а тепловое напряжение вблизи комнатной температуры составляет V _T ≈ 25 мВ, что делает g _m r _O ≈ 4000, что является довольно большим числом.

Из статьи о модели Hybrid-PI мы находим для МОП-транзистора в активном режиме:

$g_{m}r_{O}={\frac {2I_{D}}{V_{GS}-V_{th}}}{\frac {1/\lambda +V_{DS}}{I_{D}}}={\frac {2(1/\lambda +V_{DS})}{V_{GS}-V_{th}}}.$

В узле 65-нанометровой технологии I _D ≈ 1,2 мА/мк ширины, напряжение питания V _DD = 1,1 В; V _th ≈ 165 мВ, а V _ов = 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. Дело в том, что поскольку g _m r _O велико практически независимо от технологии, табличный коэффициент усиления и выходное сопротивление как для МОП-транзистора, так и для биполярного каскода очень велики. Этот факт имеет значение для дальнейшего обсуждения.

Низкочастотный дизайн

Рис. 4. Вверху: каскад BJT со слабым сигналом с использованием модели гибридного пи. Внизу: эквивалентная схема для каскада BJT с использованием низкочастотных параметров усилителя.

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 исходный каскод (эквивалентная схема ). транзистора Эта схема применима только на достаточно низких частотах, чтобы паразитные емкости не имели значения. На рисунке показаны исходный каскод (рис. 1) и эквивалентный усилитель напряжения или g-эквивалентный двухполюсник (рис. 4). Эквивалентная схема позволяет упростить расчеты поведения схемы для различных драйверов и нагрузок. На рисунке источник эквивалентного напряжения Тевенена с сопротивлением Тевенена управляет _RS усилителем, а на выходе простой нагрузочный резистор R _L. подключен Используя эквивалентную схему, входное напряжение усилителя составит (см. Делитель напряжения ):

${\upsilon }_{in}={\upsilon }_{s}{\begin{matrix}{\frac {R_{in}}{R_{S}+R_{in}}}\end{matrix}}$,

что показывает важность использования драйвера с сопротивлением R _S << R _в, чтобы избежать затухания сигнала, поступающего в усилитель. Из приведенных выше характеристик усилителя мы видим, что R _in для каскада MOSFET бесконечен, поэтому в этом случае затухания входного сигнала не происходит. Каскод BJT является более ограничительным, поскольку R _in = r _π2 .

Аналогичным образом выходной сигнал эквивалентной схемы равен

${\upsilon }_{out}=A_{v}\ {\upsilon }_{in}{\begin{matrix}{\frac {R_{L}}{R_{L}+R_{out}}}\end{matrix}}$.

В низкочастотных цепях обычно требуется высокий коэффициент усиления по напряжению, 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 сделать, принять решение о модифицированной схеме, например, добавить повторитель напряжения , согласующий нагрузку. лучше.

Предыдущая оценка показала, что выходное сопротивление каскода очень велико. Это означает, что многие сопротивления нагрузки не удовлетворяют условию R _L >> R _out (важным исключением является управление МОП-транзистором в качестве нагрузки, который имеет бесконечное низкочастотное входное сопротивление). Однако невыполнение условия R _L >> R _out не является катастрофическим, поскольку каскодный коэффициент усиления также очень велик. Если проектировщик желает, большим коэффициентом усиления можно пожертвовать, чтобы обеспечить низкое сопротивление нагрузки; для RL _R << коэффициент _out усиления упрощается следующим образом:

${\upsilon }_{out}=A_{v}\ {\upsilon }_{in}{\begin{matrix}{\frac {R_{L}}{R_{L}+R_{out}}}\approx A_{v}\ {\upsilon }_{in}{\frac {R_{L}}{R_{out}}}={\frac {A_{v}}{R_{out}}}\ {\upsilon }_{in}R_{L}\approx -g_{m2}R_{L}{\upsilon }_{in}\end{matrix}}$.

Это усиление такое же, как и для входного транзистора, действующего отдельно. Таким образом, даже жертвуя коэффициентом усиления, каскад дает тот же коэффициент усиления, что и однотранзисторный усилитель крутизны, но с более широкой полосой пропускания.

Поскольку усилители имеют широкую полосу пропускания, тот же подход позволяет определить полосу пропускания схемы при нагрузочного конденсатора подключении (с нагрузочным резистором или без него ). Необходимо предположить, что емкость нагрузки достаточно велика, чтобы контролировать частотную зависимость, а полоса пропускания не контролируется пренебрегаемыми паразитными емкостями самих транзисторов.

Высокочастотный дизайн

На высоких частотах паразитные емкости транзисторов (затвор-сток, затвор-исток, сток-тел и биполярные эквиваленты) должны быть включены в гибридные π-модели для получения точной частотной характеристики. Цели проектирования также отличаются от акцента на общий высокий коэффициент усиления, как описано выше для низкочастотного проектирования. В высокочастотных схемах согласование импеданса на входе и выходе усилителя обычно желательно, чтобы устранить отражения сигнала и максимизировать коэффициент усиления мощности . В каскоде изоляция между входным и выходным портами по-прежнему характеризуется небольшим коэффициентом обратной передачи g ₁₂ , что упрощает проектирование согласующих сетей, поскольку усилитель примерно односторонний.