Каскодный усилитель

Разбираемся, как работает каскодный усилитель: первый транзистор в схеме общий эмиттер, второй — общая база, высокая стабильность, низкая входная ёмкость и защита от самовозбуждения.

Бесплатная консультация юриста

+7 (800) 301-07-30

Реклама jurik.ru

Каскодный усилитель – это двухтранзисторный каскад, в котором первый транзистор работает по схеме общий эмиттер (или общий исток для МОП‑транзисторов), а второй – по схеме общая база (общий затвор). Такое соединение обеспечивает высокую стабильность, малую входную ёмкость и хорошую устойчивость к самовозбуждению, что делает каскодные схемы незаменимыми в радиочастотной и высокочастотной аппаратуре.

Основные принципы работы каскодного усилителя

Рассмотрим типичную схему на биполярных транзисторах V1 и V2 (см. рисунок в оригинальном источнике):

  1. Транзистор V1 включён по схеме общий эмиттер. На его базе подаётся входной ВЧ‑сигнал, а коллектор соединён с эмиттером второго транзистора.
  2. Транзистор V2 работает по схеме общая база. Его база заземлена (или подключена к опорному напряжению через резистор), а коллектор образует выход усилителя.
  3. Эмиттер V1 и база V2 образуют общий узел, который имеет низкое сопротивление для переменного сигнала, но высокое сопротивление для постоянного тока. Это снижает обратную связь по ёмкости и повышает полосу пропускания.

Для МОП‑транзисторов аналогично: первый транзистор – общий исток, второй – общий затвор.

Преимущества каскодной схемы

  • Высокая стабильность температуры. Благодаря компенсации параметров транзисторов в каскоде изменение коэффициента усиления с температурой минимально.
  • Малая входная ёмкость. Общий эмиттер (исток) первого транзистора имеет низкое входное сопротивление, а общая база (затвор) второго транзистора не добавляет значительной ёмкости.
  • Устойчивость к самовозбуждению. Каскод подавляет обратную связь через внутренние ёмкости коллектор‑база, что особенно важно на ВЧ.
  • Широкий динамический диапазон. Возможность работы с большими уровнями сигнала без перегрузки первого каскада.
  • Простота получения высокого выходного сопротивления. Каскод можно использовать как источник тока с большим внутренним сопротивлением.

Расчёт режима работы

При проектировании каскодного усилителя обычно начинают с выбора токов коллекторов (или стоков) транзисторов:

  1. Определяют желаемый ток коллектора IC (или ток стока ID) первого транзистора. От этого параметра зависит быстродействие, полоса пропускания и потребляемая мощность.
  2. Выбирают резисторы эмиттера (истока) и коллектора (стока) так, чтобы обеспечить нужную точку покоя и требуемое напряжение смещения.
  3. Проверяют, что напряжение на коллекторе V1 (истоке V2) остаётся в линейной области работы транзисторов при ожидаемом амплитудном диапазоне сигнала.
  4. Рассчитывают полосу пропускания с учётом внутренних ёмкостей транзисторов и внешних нагрузок. Для каскода полоса приблизительно определяется как
    f‑3dB ≈ 1 / (2π·RL·Cin), где Cin – входная ёмкость первого каскада, значительно уменьшенная благодаря каскодному включению.

Применение каскодных усилителей ВЧ

Благодаря своим свойствам каскодные схемы находят широкое применение в различных областях:

  • Входные усилители высокой частоты в приёмниках и передатчиках (например, в блоках ПТК ламповых телевизоров, упомянутых в источнике).
  • RF‑усилители в мобильной связи, спутниковой технике и радиолокации.
  • Усилители промежуточной частоты (ПЧ) в супергетеродинных приёмниках.
  • Источники тока с высоким выходным сопротивлением в аналоговых интегральных схемах (операционные усилители, компараторы).
  • Каскады в усилителях мощности, где необходима линейность и низкий уровень шумов.

Особенности реализации на разных типах транзисторов

Биполярные транзисторы (БТ)

Для БТ каскод особенно эффективен благодаря низкому входному сопротивлению общего эмиттера и высокому выходному сопротивлению общей базы. При расчёте необходимо учитывать коэффициент передачи тока β и внутренние ёмкости Ccb и Ceb.

МОП‑транзисторы

В МОП‑технологии каскод реализуется как «общий исток – общий затвор». Основное преимущество – крайне низкий ток утечки и возможность работы при очень низких напряжениях питания. При расчёте учитывают параметры Vth, k′ и ёмкости Cgs, Cgd.

Практический пример схемы

Ниже представлена упрощённая текстовая схема каскодного усилителя на биполярных транзисторах (все номиналы указаны ориентировочно):

Vcc
 |
 Rc1
 |
 C1---+---|<|---+--- Vout
 | Q1 |
 | (NPN) |
 | E |
 +--- Re1---+
 |
 | Q2
 +---|<|---+--- GND
 (NPN)
 B
 |
 Rb2
 |
 GND

Где:

  • Q1 – транзистор общего эмиттера (вход).
  • Q2 – транзистор общей базы (выход).
  • Rc1 – нагрузка коллектора Q1.
  • Re1 – эмиттерный резистор Q1 (обеспечивает стабильность тока).
  • Rb2 – резистор смещения базы Q2 (может быть подключён к делителю напряжения).
  • C1 – входной конденсатор, блокирующий постоянную составляющую.

Для МОП‑варианта заменяем Q1 и Q2 на N‑канальные MOSFETs, а резисторы эмиттера/истока – на резисторы истока.

Каскодный усилитель остаётся одной из самых эффективных топологий для усиления ВЧ‑сигналов благодаря сочетания высокой стабильности, малой входной ёмкости и хорошей линейности. Правильный выбор токов покоя, нагрузок и смещения позволяет достичь высоких характеристик в широком диапазоне частот и температур. Независимо от того, используются ли биполярные или МОП‑транзисторы, принципы каскодного включения остаються универсальными и находят применение как в дискретной, так и в интегральной радиотехнике.