Корисник:Martavasic/песак

Каскод је двостепени појачавач који се састоји од степена заједничког емитера који се напаја у степен са заједничком базом.^[1]^[2]

У поређењу са једним степеном појачала, ова комбинација може имати једну или више од следећих карактеристика: већу улазно-излазну изолацију, већу улазну импедансу, високу излазну импедансу, већи пропусни опсег.

У савременим колима, каскод се често конструише од два транзистора (БЈТ или ФЕТ) при чему један ради као заједнички емитер или заједнички извор, а други као заједничка база или заједничка капија. Каскод побољшава улазну-излазну изолацију (смањује обрнути пренос), пошто нема директног повезивања између излаза и улаза. Ово елиминише Милеров ефекат и тиме доприноси много већем пропусном опсегу.

Историја

Употреба каскода (понекад верификованог за каскодирање) је уобичајена техника за побољшање перформанси аналогног кола, применљива и на вакуумске цеви и на транзисторе. Назив „каскод” је скован у чланку који су написали Фредерик Винтон Хант и Роџер Вејн Хикман 1939. године, у расправи о примени стабилизатора напона. Предложили су каскаду од две триоде (прва са заједничком катодном поставом, друга са заједничком мрежом) као замену за пентоду, тако да се може претпоставити да је назив скраћеница од „casc” (појачало са доданом триодом која има карактеристике сличне, али мање бучне од једне пентоде).^[3] Каскодна кола су коришћена у раним телевизорима за „front-end” или тјунер због њиховог малог шума и ширег пропусног опсега.

Операција

Слика 1 приказује пример каскодног појачавача са појачавачом са заједничким извором као улазним степеном који покреће извор сигнала, Vin. Овај улазни степен покреће појачавач са заједничким затварачем као излазни степен, са излазним сигналом V_out.

Слика 1: Н-канални каскодни појачавач класе А

Како доњи ФЕТ проводи, он мења изворни напон горњег ФЕТ-а, а горњи ФЕТ проводи због промењеног потенцијала између његовог гејта и извора.

Главна предност овог распореда кола произилази из постављања горњег транзистора са ефектом поља (ФЕТ) као оптерећења улазног (доњег) излазног терминала (дрејна) ФЕТ-а. Пошто је на радним фреквенцијама горња капија ФЕТ-а ефективно уземљена, напон извора горњег ФЕТ-а (а самим тим и одвод улазног транзистора) се током рада одржава на скоро константном напону. Другим речима, горњи ФЕТ показује низак улазни отпор доњем ФЕТ-у, чинећи појачање напона доњег ФЕТ-а веома малим, што драматично смањује капацитивност повратне спреге Милеровог ефекта од доњег одвода ФЕТ-а до гејта. Овај губитак појачања напона надокнађује горњи ФЕТ. Дакле, горњи транзистор дозвољава доњем ФЕТ-у да ради са минималном негативном (Милеровом) повратном спрегом, побољшавајући његов пропусни опсег.

Горња ФЕТ капија је електрично уземљена, тако да се пуњење и пражњење лутајућег капацитета, C_dg, између дрејна и капије одвија једноставно преко R_D и излазног оптерећења (рецимо R_out ),а фреквенцијски одзив је погодан само за фреквенције изнад придружене RC временске константе τ = C_dg R_D//R_out , наиме f = 1/(2πτ), је прилично висока фреквенција јер је C_dg мали. То јест, горња ФЕТ капија не пати од Милеровог појачања C_dg.

Ако би горњи ФЕТ степен радио сам користећи свој извор као улазни чвор (тј. конфигурацију са заједничким гејт-ом (CG)), имао би добро појачање напона и широк пропусни опсег. Међутим, његова ниска улазна импеданса би ограничила његову корисност на дрејн напона са веома ниском импедансом. Додавање нижег ФЕТ-а резултира високом улазном импедансом, омогућавајући да каскодни степен буде покретан извором високе импедансе.

Ако би се горњи ФЕТ заменио типичним индуктивним/отпорним оптерећењем и узео излаз из одвода улазног транзистора (то јест, конфигурација заједничког извора (CS)), CS конфигурација би нудила исту улазну импедансу као каскод, али каскодна конфигурација би понудила потенцијално већи добитак и много већи пропусни опсег.

Стабилност

Каскодни распоред је такође веома стабилан. Његов излаз је ефикасно изолован од улаза и електрично и физички. Доњи транзистор има скоро константан напон и на одводу и на извору, и стога у суштини нема "ништа" да се врати у његову капију. Горњи транзистор има скоро константан напон на капији и извору. Дакле, једини чворови са значајним напоном на себи су улаз и излаз, а они су одвојени централном везом скоро константног напона и физичким растојањем два транзистора. Стога у пракси постоји мало повратних информација од излаза до улаза. Метална заштита је истовремено ефикасна и лако се поставља између два транзистора за још већу изолацију када је то потребно. Ово би било тешко у круговима појачавача са једним транзистором, који би на високим фреквенцијама захтевали неутрализацију.

Предности

Каскодни аранжман нуди велико појачање, велики пропусни опсег, високу брзину напона, високу стабилност и велику улазну импедансу. Број делова је веома мали за коло са два транзистора.

Недостаци

Каскодно коло захтева два транзистора и захтева релативно висок напон напајања. За каскод са два ФЕТ-а, оба транзистора морају бити пристрасна са великим V_DS у раду, намећући доњу границу напона напајања.

Верзија са двоструким гејтом

МОСФЕТ са двоструким гејтом често функционише као каскод са "једним транзистором". Уобичајено на предњим крајевима осетљивих VHF пријемника, МОСФЕТ са двоструким гејтом ради као појачавач са заједничким извором са примарним гејтом (који произвођачи МОСФЕТ-а обично означавају као „капија 1“) повезаним са улазом, а другим гејтом уземљеним (бајпасираним). Унутра, постоји један канал покривен с два суседна гејта; стога, резултујуће коло је електрични каскод састављен од два ФЕТ-а, при чему је уобичајена веза доњег одвода до горњег извора само онај део једног канала који лежи физички поред границе између два гејта.

Миксер у суперхетеродинским пријемницима

Каскодно коло је веома корисно као миксер за множење у суперхетеродинским пријемницима. На доњој капији RF сигнал се доводи у миксер, а на горњој капији сигнал локалног осцилатора се доводи у миксер. Оба сигнала се множе миксером, а фреквенција разлике, међуфреквенција, узима се из горњег дрејна каскодног миксера.

Ово је даље развијено каскодирањем целих степена диференцијалног појачавача да би се формирао балансирани миксер, а затим двоструко балансирани миксер Гилберт ћелије.

Друге примене

Високо-напонски стек

Са порастом интегрисаних кола, транзистори су постали јефтини у погледу површине силиконских матрица. Посебно у МОСФЕТ технологији, каскодирање се може користити у струјним огледалима да би се повећала излазна импеданса извора излазне струје. Модификована верзија каскода се такође може користити као модулатор, посебно за амплитудну модулацију. Горњи уређај испоручује аудио сигнал, а доњи је уређај за RF појачавач. Каскод се такође може комбиновати са напонском лествицом да би се формирао високонапонски транзистор. Улазни транзистор може бити било ког типа са ниским U_CEO, док би остали, који делују као наслагани линеарни серијски регулатори напона, требало да буду у стању да издрже значајан део напона напајања. Имајте на уму да за велике промене излазног напона, кондензатори не би требало да заобиђу њихове базне напоне до уземљења, а највиша лествица отпорника треба да може да издржи пуни напон напајања. Ово показује да је линеарни серијски регулатор напона заправо струјни бафер са замењеним ознакама улаза и излаза.

Параметри са два порта

Конфигурација каскода може се представити као једноставни појачавач напона (или тачније, као мрежа са два порта са г-параметром) коришћењем његове улазне импедансе, излазне импедансе и напонског појачања. Ови параметри су повезани са одговарајућим г-параметрима у наставку.^[4] Остала корисна својства која се овде не разматрају су пропусни опсег кола и динамички опсег.

БЈТ каскод: нискофреквентни параметри малог сигнала

Слика 2: БЈТ каскод који користи идеалне изворе струје за једносмерну пристрасност и велике кондензаторе за спајање са земљом и извором наизменичног сигнала; кондензатори су кратки спојеви за наизменичну струју

Идеализовано еквивалентно коло малог сигнала може се конструисати за коло на слици 2 заменом извора струје отвореним круговима и кондензатора кратким спојем, под претпоставком да су довољно велики да делују као кратки спојеви на фреквенцијама од интереса. БЈТ могу бити представљени у колу малог сигнала хибридним π моделом.^[5]


	Дефиниција	Израз
Појачање напона	A_v = g₂₁ =_{${\frac {Vout}{Vin}}\|$ iout=0}	-g_m2( $r_{\pi 1}$ //ro₂)(g_m1ro₁+1)
Улазни отпор	R_in = ${\frac {1}{g_{11}}}$ =_{${\frac {Vout}{Vin}}\|$ iout=0}	$r_{\pi 2}$
Излазни отпор	R_out = g₂₂ =_{${\frac {Vout}{Vin}}\|$ vin=0}	ro₁+(g_m1ro₁+1)( $r_{\pi 1}$ //ro₂)

МОСФЕТ каскод: нискофреквентни параметри малог сигнала

Слично томе, параметри малог сигнала се могу извести за верзију МОСФЕТ-а, такође замењујући МОСФЕТ његовим еквивалентом хибридног π модела. Ово извођење се може поједноставити ако приметимо да је струја МОСФЕТ гејта нула, тако да модел малог сигнала за БЈТ постаје модел МОСФЕТ-а на граници нулте базне струје:

$I_{B}$ $\longrightarrow$ $0$ $\Rightarrow$ $r_{\pi }$ $=$ _{${\frac {V_{T}}{I_{B}}}$},

Слика 3: МОСФЕТ каскод који користи идеалне изворе напона и извор једносмерне струје као активно оптерећење. Пошто сваки МОСФЕТ транзистор има повезан гејт и извор, ова конфигурација важи само за дискретне компоненте са 3 терминала.

где је $V_{T}$ топлотни напон.^[6]

	Дефиниција	Израз
Појачање напона	A_v = g₂₁ =_{${\frac {Vout}{Vin}}\|$ iout=0}	-(g_m1ro₁+1)g_m2ro₂
Улазни отпор	R_in = ${\frac {1}{g_{11}}}$ =_{${\frac {Vout}{Vin}}\|$ iout=0}	$\infty$
Излазни отпор	R_out = g₂₂ =_{${\frac {Vout}{Vin}}\|$ vin=0}	(ro₁+ro₂)(1+g_m1(ro₁/ro₂))

Комбинација фактора се често јавља у горњим формулама, што захтева даље испитивање. За биполарни транзистор овај производ je:

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

Нискофреквентни дизајн

Слика 4 Горе: БЈТ каскод малог сигнала користећи хибридни-пи модел Доле: Еквивалентно коло за БЈТ каскод користећи нискофреквентне параметре појачавача

Г-параметри који се налазе у горњим формулама могу се користити за конструисање напонског појачавача малог сигнала са истим појачањем, улазним и излазним отпором као оригинални каскод (еквивалентно коло). Ово коло се примењује само на фреквенцијама које су довољно ниске да паразитски капацитети транзистора нису битни. На слици је приказан оригинални каскод (слика 1) и еквивалентни напонски појачавач или г-еквивалентни дво-порт (слика 4). Еквивалентно коло омогућава лакше прорачуне понашања кола за различите покретаче и оптерећења. На слици, Тевененов еквивалентни извор напона са Тевененовим отпором Rs покреће појачало, а на излазу је причвршћен једноставан отпорник оптерећења R_L. Користећи еквивалентно коло, улазни напон за појачало је:

$V_{in}=V_{s}{\frac {R_{in}}{R_{s}+R_{in}}}$ ,

Из горе наведених карактеристика појачавача видимо да је R_in бесконачан за МОСФЕТ каскод, тако да у том случају не долази до слабљења улазног сигнала. БЈТ каскод је рестриктивнији јер је R_in = R $\pi$ ₂.

На сличан начин, излазни сигнал из еквивалентног кола је:

$V_{out}=A_{v}V_{in}{\frac {R_{L}}{R_{L}+R_{out}}}$ .

У нискофреквентним колима, обично се жели високонапонско појачање, отуда је важно користити оптерећење са отпором R_L >> R_out да би се избегло слабљење сигнала који стиже до оптерећења. Формуле за R_out се могу користити или за пројектовање појачавача са довољно малим излазним отпором у поређењу са оптерећењем или, ако се то не може урадити, да се одлучи за модификовано коло, на пример, да се дода пратилац напона који боље одговара оптерећењу.

Ранија процена је показала да је излазни отпор каскода веома велики. Импликација је да многи отпори оптерећења неће задовољити услов R_L >> R_out (важан изузетак је покретање МОСФЕТ-а као оптерећења, који има бесконачну улазну импедансу ниске фреквенције). Међутим, неиспуњавање услова R_L >> R_out није катастрофалан јер је добитак каскода такође веома велики. Ако је дизајнер вољан, велики добитак се може жртвовати како би се омогућила ниска отпорност на оптерећење; за R_L << R_out Појачавање се поједностављује на следећи начин:

$V_{out}=A_{v}V_{in}{\frac {R_{L}}{R_{L}+R_{out}}}\approx A_{v}V_{in}{\frac {R_{L}}{R_{out}}}={\frac {A_{v}}{R_{out}}}V_{in}R_{L}\approx -g_{m2}R_{L}V_{in}$ .

Ово појачање је исто као и за улазни транзистор који делује сам. Стога, чак и жртвујући појачање, каскод производи исто појачање као транскондуктивни појачавач са једним транзистором, али са ширим пропусним опсегом.

Пошто су појачала широког пропусног опсега, исти приступ може одредити пропусни опсег кола када је прикључен кондензатор оптерећења (са или без отпорника оптерећења). Потребна претпоставка је да је капацитет оптерећења довољно велик да контролише зависност од фреквенције, а пропусни опсег није контролисан занемареним паразитним капацитетима самих транзистора.

Високофреквентни дизајн

На високим фреквенцијама, паразитни капацитети транзистора (од капије до одвода, од капије до извора, одвода до тела и биполарни еквиваленти) морају бити укључени у хибридне-π моделе да би се добио тачан фреквентни одзив. Циљеви дизајна се такође разликују од нагласка на укупном високом појачању као што је горе описано за нискофреквентни дизајн. У високофреквентним колима, усклађивање импедансе на улазу и излазу појачала је обично пожељно како би се елиминисале рефлексије сигнала и максимизирало повећање снаге. У каскоду, изолацију између улазног и излазног порта и даље карактерише мали термин за реверзни пренос g₁₂, што олакшава пројектовање мрежа за подударање јер је појачало приближно једнострано.

Референце

^ Comprehensive dictionary of electrical engineering. Phillip A. Laplante (2nd ed изд.). Boca Raton, FL: Taylor & Francis. 2005. ISBN 0-8493-3086-6. OCLC 56880224.
^ Amos, S. W. (1999). Newnes Dictionary of electronics. R. S. Amos, G. W. A. Dummer (4th ed изд.). Oxford: Newnes. ISBN 978-0-08-051272-3. OCLC 144646016.
^ COHEN, JONATHAN (1955-11-01). „Cathode Ray Sterilization of Bone Grafts”. Archives of Surgery. 71 (5): 784. ISSN 0004-0010. doi:10.1001/archsurg.1955.01270170142026.
^ G12, U.S. Pharmacopeial Convention, Приступљено 2022-05-15
^ Analysis and design of analog integrated circuits. Paul R. Gray (4th ed изд.). New York: Wiley. 2001. ISBN 0-471-32168-0. OCLC 44509177.
^ Analysis and design of analog integrated circuits. Paul R. Gray (4th ed изд.). New York: Wiley. 2001. ISBN 0-471-32168-0. OCLC 44509177.

Литература

Спољашње везе

Речник електронике

[1] Comprehensive dictionary of electrical engineering. Phillip A. Laplante (2nd ed изд.). Boca Raton, FL: Taylor & Francis. 2005. ISBN 0-8493-3086-6. OCLC 56880224.

[2] Amos, S. W. (1999). Newnes Dictionary of electronics. R. S. Amos, G. W. A. Dummer (4th ed изд.). Oxford: Newnes. ISBN 978-0-08-051272-3. OCLC 144646016.

[3] COHEN, JONATHAN (1955-11-01). „Cathode Ray Sterilization of Bone Grafts”. Archives of Surgery. 71 (5): 784. ISSN 0004-0010. doi:10.1001/archsurg.1955.01270170142026.

[4] G12, U.S. Pharmacopeial Convention, Приступљено 2022-05-15

[5] Analysis and design of analog integrated circuits. Paul R. Gray (4th ed изд.). New York: Wiley. 2001. ISBN 0-471-32168-0. OCLC 44509177.

[6] Analysis and design of analog integrated circuits. Paul R. Gray (4th ed изд.). New York: Wiley. 2001. ISBN 0-471-32168-0. OCLC 44509177.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]