4.8: El Amplificador Cascode

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Mientras que 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 (10s 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 (KΩs). Vea la Figura a continuación. Las etapas están en una configuración de cascode, apiladas en serie, a diferencia de en cascada para una cadena de amplificador estándar. Consulte “Capacitor acoplado a tres etapas amplificador de emisor común” Capacitor acopladopara un ejemplo en cascada. La configuración del amplificador cascode tiene un ancho de banda amplio y una impedancia de entrada moderadamente alta.

El amplificador cascode se combina con emisor común y base común. Este es un circuito de CA equivalente con baterías y capacitores reemplazados por cortocircuitos.

Capacitancia de ancho de banda y el efecto Miller

La clave para comprender el ancho de banda amplio de la configuración de cascode es el efecto Miller. El efecto Miller es la multiplicación de la capacitancia colector-base robando ancho de banda por ganancia de voltaje A _v. Esta capacitancia C-B es menor que la capacitancia E-B. Así, 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 colectora acoplada capacitivamente hacia atrás se opone a la señal base. Además, la retroalimentación del colector es (1-A _v) veces mayor que la señal base. Tenga en cuenta que A _v es un número negativo para el amplificador C-E inversor. Así, la pequeña capacitancia C-B aparece (1+A| _v |) veces mayor que su valor real. Esta ganancia capacitiva 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 -R _L/r _EE. La corriente del emisor se establece en 1.0 mA mediante polarización. R _EE = 26mV/I _E = 26mV/1.0mA = 26 Ω. Así, A _v = -R _L /R _EE = -4700/26 = -181. La hoja de datos pn2222 lista C _cbo = 8 pF. [FAR] La capacitancia del molinero es C _cbo (1-A _v). Ganancia A _v = -181, negativa ya que está invirtiendo ganancia. C _molinero = C _cbo (1-A _v) = 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 se realimente a la entrada del emisor. Así, un amplificador C-B tiene 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·C _CBO. La retroalimentación C-B total es la capacitancia de retroalimentación 1·C _CB más la capacitancia real C _CB para un total de 2·C _CBO. Esto es una reducción considerable de 181·C _CBO. La capacitancia del molinero para una ganancia de -2 etapa C-E es C _miller = C _cbo (1-A _v) = C _miller = C _cbo (1- (-1)) = C _cbo ·2.

La manera de reducir la ganancia común del emisor es reducir la resistencia de carga. La ganancia de un amplificador C-E es aproximadamente R _C/R _E. La resistencia interna del emisor r _EE a la corriente del emisor de 1mA es 26Ω. Para obtener detalles sobre los 26Ω, consulte “Derivación de R _EE”, consulte REE. La carga colectora R _C 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 A _v = R _C/R _E =26/26=1. Esta capacitancia Miller es C _miller = C _cbo (1-A _v) = 8pF (1- (-1) =16pF. Ahora tenemos una etapa C-E de impedancia de entrada moderadamente alta sin sufrir el efecto Miller, pero sin ganancia de voltaje C-E dB. La etapa C-B proporciona una ganancia de alto voltaje, A _V = -181. La ganancia actual de cascode es β de la etapa C-E, 1 para el C-B, β general. Así, el cascode tiene una impedancia de entrada moderadamente alta del C-E, buena ganancia y buen ancho de banda del C-B.

SPICE: Cascode y emisor común para comparación.

Cascode Vs. Comparación de Amplificadores de Emisor Común

La versión SPICE tanto de un amplificador cascode, como para comparación, de un amplificador de emisor común se muestra en la Figura anterior. El netlist 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 Input se multiplica por 10 para la visibilidad.

Las formas de onda de la Figura anterior muestran el funcionamiento de la etapa cascode. La señal de entrada se visualiza multiplicada por 10 para que pueda mostrarse con las salidas. Tenga en cuenta que tanto las salidas Cascode, Common-emitter y Va (punto intermedio) están invertidas 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 10V, aproximadamente a medio camino entre 20V y tierra. La señal es mayor de lo que puede ser contabilizada por una ganancia C-E de 1, es tres veces mayor de lo esperado.

Cascode vs banwidth de emisor común.

La figura anterior muestra la respuesta de frecuencia tanto a los amplificadores cascode como a los amplificadores de emisor común. Las declaraciones SPICE responsables del análisis AC, extraídas del listado:

Tenga en cuenta que el “ac 1” es necesario al final de la declaración V3. El cascode tiene una ganancia marginalmente mejor en la banda media. Sin embargo, estamos buscando principalmente el ancho de banda medido en los puntos -3dB, por debajo de la ganancia de banda media para cada amplificador. Esto se muestra por 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):

El índice 22 da la ganancia de dB de banda media para Cascode vm (3) =47.5dB y Common-emitter 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 2Mhz, el ancho de banda del emisor común. El índice 37 vm (3) =44.6db es aproximadamente 3db por debajo de 47.5db. La frecuencia Index37 correspondiente es 5Mhz, el ancho de banda cascode. Así, el amplificador cascode tiene un ancho de banda más amplio. No nos preocupa la degradación de baja frecuencia de la ganancia. Se debe a los capacitores, que podrían remediarse con otros más grandes. El ancho de banda de 5MHz de nuestro ejemplo de cascode, aunque es mejor que el ejemplo de emisor común, no es ejemplar para un amplificador de RF (radiofrecuencia). Se debe usar un par de transistores de RF o microondas con menor capacidad interelectrodo para mayor ancho de banda. Antes de la invención del MOSFET de puerta dual RF, el amplificador cascode BJT podría haberse encontrado en sintonizadores de TV UHF (ultra alta frecuencia).

REVISIÓN

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