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):
- Транзистор V1 включён по схеме общий эмиттер. На его базе подаётся входной ВЧ‑сигнал, а коллектор соединён с эмиттером второго транзистора.
- Транзистор V2 работает по схеме общая база. Его база заземлена (или подключена к опорному напряжению через резистор), а коллектор образует выход усилителя.
- 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:
- Определяют желаемый ток коллектора IC (или ток стока ID) первого транзистора. От этого параметра зависит быстродействие, полоса пропускания и потребляемая мощность.
- Выбирают резисторы эмиттера (истока) и коллектора (стока) так, чтобы обеспечить нужную точку покоя и требуемое напряжение смещения.
- Проверяют, что напряжение на коллекторе V1 (истоке V2) остаётся в линейной области работы транзисторов при ожидаемом амплитудном диапазоне сигнала.
- 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.