Korisnik:Martavasic/pesak

Kaskod je dvostepeni pojačavač koji se sastoji od stepena zajedničkog emitera koji se napaja u stepen sa zajedničkom bazom.

U poređenju sa jednim stepenom pojačala, ova kombinacija može imati jednu ili više od sledećih karakteristika: veću ulazno-izlaznu izolaciju, veću ulaznu impedansu, visoku izlaznu impedansu, veći propusni opseg.

U savremenim kolima, kaskod se često konstruiše od dva tranzistora (BJT ili FET) pri čemu jedan radi kao zajednički emiter ili zajednički izvor, a drugi kao zajednička baza ili zajednička kapija. Kaskod poboljšava ulaznu-izlaznu izolaciju (smanjuje obrnuti prenos), pošto nema direktnog povezivanja između izlaza i ulaza. Ovo eliminiše Milerov efekat i time doprinosi mnogo većem propusnom opsegu.

Istorija

Upotreba kaskoda (ponekad verifikovanog za kaskodiranje) je uobičajena tehnika za poboljšanje performansi analognog kola, primenljiva i na vakuumske cevi i na tranzistore. Naziv „kaskod” je skovan u članku koji su napisali Frederik Vinton Hant i Rodžer Vejn Hikman 1939. godine, u raspravi o primeni stabilizatora napona. Predložili su kaskadu od dve triode (prva sa zajedničkom katodnom postavom, druga sa zajedničkom mrežom) kao zamenu za pentodu, tako da se može pretpostaviti da je naziv skraćenica od „casc” (pojačalo sa dodanom triodom koja ima karakteristike slične, ali manje bučne od jedne pentode). Kaskodna kola su korišćena u ranim televizorima za „front-end” ili tjuner zbog njihovog malog šuma i šireg propusnog opsega.

Operacija

Slika 1 prikazuje primer kaskodnog pojačavača sa pojačavačom sa zajedničkim izvorom kao ulaznim stepenom koji pokreće izvor signala, Vin. Ovaj ulazni stepen pokreće pojačavač sa zajedničkim zatvaračem kao izlazni stepen, sa izlaznim signalom V_out.

Slika 1: N-kanalni kaskodni pojačavač klase A

Kako donji FET provodi, on menja izvorni napon gornjeg FET-a, a gornji FET provodi zbog promenjenog potencijala između njegovog gejta i izvora.

Glavna prednost ovog rasporeda kola proizilazi iz postavljanja gornjeg tranzistora sa efektom polja (FET) kao opterećenja ulaznog (donjeg) izlaznog terminala (drejna) FET-a. Pošto je na radnim frekvencijama gornja kapija FET-a efektivno uzemljena, napon izvora gornjeg FET-a (a samim tim i odvod ulaznog tranzistora) se tokom rada održava na skoro konstantnom naponu. Drugim rečima, gornji FET pokazuje nizak ulazni otpor donjem FET-u, čineći pojačanje napona donjeg FET-a veoma malim, što dramatično smanjuje kapacitivnost povratne sprege Milerovog efekta od donjeg odvoda FET-a do gejta. Ovaj gubitak pojačanja napona nadoknađuje gornji FET. Dakle, gornji tranzistor dozvoljava donjem FET-u da radi sa minimalnom negativnom (Milerovom) povratnom spregom, poboljšavajući njegov propusni opseg.

Gornja FET kapija je električno uzemljena, tako da se punjenje i pražnjenje lutajućeg kapaciteta, C_dg, između drejna i kapije odvija jednostavno preko R_D i izlaznog opterećenja (recimo R_out ),a frekvencijski odziv je pogodan samo za frekvencije iznad pridružene RC vremenske konstante τ = C_dg R_D//R_out , naime f = 1/(2πτ), je prilično visoka frekvencija jer je C_dg mali. To jest, gornja FET kapija ne pati od Milerovog pojačanja C_dg.

Ako bi gornji FET stepen radio sam koristeći svoj izvor kao ulazni čvor (tj. konfiguraciju sa zajedničkim gejt-om (CG)), imao bi dobro pojačanje napona i širok propusni opseg. Međutim, njegova niska ulazna impedansa bi ograničila njegovu korisnost na drejn napona sa veoma niskom impedansom. Dodavanje nižeg FET-a rezultira visokom ulaznom impedansom, omogućavajući da kaskodni stepen bude pokretan izvorom visoke impedanse.

Ako bi se gornji FET zamenio tipičnim induktivnim/otpornim opterećenjem i uzeo izlaz iz odvoda ulaznog tranzistora (to jest, konfiguracija zajedničkog izvora (CS)), CS konfiguracija bi nudila istu ulaznu impedansu kao kaskod, ali kaskodna konfiguracija bi ponudila potencijalno veći dobitak i mnogo veći propusni opseg.

Stabilnost

Kaskodni raspored je takođe veoma stabilan. Njegov izlaz je efikasno izolovan od ulaza i električno i fizički. Donji tranzistor ima skoro konstantan napon i na odvodu i na izvoru, i stoga u suštini nema "ništa" da se vrati u njegovu kapiju. Gornji tranzistor ima skoro konstantan napon na kapiji i izvoru. Dakle, jedini čvorovi sa značajnim naponom na sebi su ulaz i izlaz, a oni su odvojeni centralnom vezom skoro konstantnog napona i fizičkim rastojanjem dva tranzistora. Stoga u praksi postoji malo povratnih informacija od izlaza do ulaza. Metalna zaštita je istovremeno efikasna i lako se postavlja između dva tranzistora za još veću izolaciju kada je to potrebno. Ovo bi bilo teško u krugovima pojačavača sa jednim tranzistorom, koji bi na visokim frekvencijama zahtevali neutralizaciju.

Prednosti

Kaskodni aranžman nudi veliko pojačanje, veliki propusni opseg, visoku brzinu napona, visoku stabilnost i veliku ulaznu impedansu. Broj delova je veoma mali za kolo sa dva tranzistora.

Nedostaci

Kaskodno kolo zahteva dva tranzistora i zahteva relativno visok napon napajanja. Za kaskod sa dva FET-a, oba tranzistora moraju biti pristrasna sa velikim V_DS u radu, namećući donju granicu napona napajanja.

Verzija sa dvostrukim gejtom

MOSFET sa dvostrukim gejtom često funkcioniše kao kaskod sa "jednim tranzistorom". Uobičajeno na prednjim krajevima osetljivih VHF prijemnika, MOSFET sa dvostrukim gejtom radi kao pojačavač sa zajedničkim izvorom sa primarnim gejtom (koji proizvođači MOSFET-a obično označavaju kao „kapija 1“) povezanim sa ulazom, a drugim gejtom uzemljenim (bajpasiranim). Unutra, postoji jedan kanal pokriven s dva susedna gejta; stoga, rezultujuće kolo je električni kaskod sastavljen od dva FET-a, pri čemu je uobičajena veza donjeg odvoda do gornjeg izvora samo onaj deo jednog kanala koji leži fizički pored granice između dva gejta.

Mikser u superheterodinskim prijemnicima

Kaskodno kolo je veoma korisno kao mikser za množenje u superheterodinskim prijemnicima. Na donjoj kapiji RF signal se dovodi u mikser, a na gornjoj kapiji signal lokalnog oscilatora se dovodi u mikser. Oba signala se množe mikserom, a frekvencija razlike, međufrekvencija, uzima se iz gornjeg drejna kaskodnog miksera.

Ovo je dalje razvijeno kaskodiranjem celih stepena diferencijalnog pojačavača da bi se formirao balansirani mikser, a zatim dvostruko balansirani mikser Gilbert ćelije.

Druge primene

Visoko-naponski stek

Sa porastom integrisanih kola, tranzistori su postali jeftini u pogledu površine silikonskih matrica. Posebno u MOSFET tehnologiji, kaskodiranje se može koristiti u strujnim ogledalima da bi se povećala izlazna impedansa izvora izlazne struje. Modifikovana verzija kaskoda se takođe može koristiti kao modulator, posebno za amplitudnu modulaciju. Gornji uređaj isporučuje audio signal, a donji je uređaj za RF pojačavač. Kaskod se takođe može kombinovati sa naponskom lestvicom da bi se formirao visokonaponski tranzistor. Ulazni tranzistor može biti bilo kog tipa sa niskim U_CEO, dok bi ostali, koji deluju kao naslagani linearni serijski regulatori napona, trebalo da budu u stanju da izdrže značajan deo napona napajanja. Imajte na umu da za velike promene izlaznog napona, kondenzatori ne bi trebalo da zaobiđu njihove bazne napone do uzemljenja, a najviša lestvica otpornika treba da može da izdrži puni napon napajanja. Ovo pokazuje da je linearni serijski regulator napona zapravo strujni bafer sa zamenjenim oznakama ulaza i izlaza.

Parametri sa dva porta

Konfiguracija kaskoda može se predstaviti kao jednostavni pojačavač napona (ili tačnije, kao mreža sa dva porta sa g-parametrom) korišćenjem njegove ulazne impedanse, izlazne impedanse i naponskog pojačanja. Ovi parametri su povezani sa odgovarajućim g-parametrima u nastavku. Ostala korisna svojstva koja se ovde ne razmatraju su propusni opseg kola i dinamički opseg.

BJT kaskod: niskofrekventni parametri malog signala

Slika 2: BJT kaskod koji koristi idealne izvore struje za jednosmernu pristrasnost i velike kondenzatore za spajanje sa zemljom i izvorom naizmeničnog signala; kondenzatori su kratki spojevi za naizmeničnu struju

Idealizovano ekvivalentno kolo malog signala može se konstruisati za kolo na slici 2 zamenom izvora struje otvorenim krugovima i kondenzatora kratkim spojem, pod pretpostavkom da su dovoljno veliki da deluju kao kratki spojevi na frekvencijama od interesa. BJT mogu biti predstavljeni u kolu malog signala hibridnim π modelom.

	Definicija	Izraz
Pojačanje napona	Av = g21 =${\frac {Vout}{Vin}}|$iout=0	-gm2($r_{\pi 1}$//ro2)(gm1ro1+1)
Ulazni otpor	Rin = ${\frac {1}{g_{11}}}$ =${\frac {Vout}{Vin}}|$iout=0	$r_{\pi 2}$
Izlazni otpor	Rout = g22 =${\frac {Vout}{Vin}}|$vin=0	ro1+(gm1ro1+1)($r_{\pi 1}$//ro2)

MOSFET kaskod: niskofrekventni parametri malog signala

Slično tome, parametri malog signala se mogu izvesti za verziju MOSFET-a, takođe zamenjujući MOSFET njegovim ekvivalentom hibridnog π modela. Ovo izvođenje se može pojednostaviti ako primetimo da je struja MOSFET gejta nula, tako da model malog signala za BJT postaje model MOSFET-a na granici nulte bazne struje:

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

Slika 3: MOSFET kaskod koji koristi idealne izvore napona i izvor jednosmerne struje kao aktivno opterećenje. Pošto svaki MOSFET tranzistor ima povezan gejt i izvor, ova konfiguracija važi samo za diskretne komponente sa 3 terminala.

gde je $V_{T}$ toplotni napon.

	Definicija	Izraz
Pojačanje napona	Av = g21 =${\frac {Vout}{Vin}}|$iout=0	-(gm1ro1+1)gm2ro2
Ulazni otpor	Rin = ${\frac {1}{g_{11}}}$ =${\frac {Vout}{Vin}}|$iout=0	$\infty$
Izlazni otpor	Rout = g22 =${\frac {Vout}{Vin}}|$vin=0	(ro1+ro2)(1+gm1(ro1/ro2))

Kombinacija faktora se često javlja u gornjim formulama, što zahteva dalje ispitivanje. Za bipolarni tranzistor ovaj proizvod je:

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

Niskofrekventni dizajn

Slika 4 Gore: BJT kaskod malog signala koristeći hibridni-pi model Dole: Ekvivalentno kolo za BJT kaskod koristeći niskofrekventne parametre pojačavača

G-parametri koji se nalaze u gornjim formulama mogu se koristiti za konstruisanje naponskog pojačavača malog signala sa istim pojačanjem, ulaznim i izlaznim otporom kao originalni kaskod (ekvivalentno kolo). Ovo kolo se primenjuje samo na frekvencijama koje su dovoljno niske da parazitski kapaciteti tranzistora nisu bitni. Na slici je prikazan originalni kaskod (slika 1) i ekvivalentni naponski pojačavač ili g-ekvivalentni dvo-port (slika 4). Ekvivalentno kolo omogućava lakše proračune ponašanja kola za različite pokretače i opterećenja. Na slici, Tevenenov ekvivalentni izvor napona sa Tevenenovim otporom Rs pokreće pojačalo, a na izlazu je pričvršćen jednostavan otpornik opterećenja R_L. Koristeći ekvivalentno kolo, ulazni napon za pojačalo je:

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

Iz gore navedenih karakteristika pojačavača vidimo da je R_in beskonačan za MOSFET kaskod, tako da u tom slučaju ne dolazi do slabljenja ulaznog signala. BJT kaskod je restriktivniji jer je R_in = R$\pi$₂.

Na sličan način, izlazni signal iz ekvivalentnog kola je:

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

U niskofrekventnim kolima, obično se želi visokonaponsko pojačanje, otuda je važno koristiti opterećenje sa otporom R_L >> R_out da bi se izbeglo slabljenje signala koji stiže do opterećenja. Formule za R_out se mogu koristiti ili za projektovanje pojačavača sa dovoljno malim izlaznim otporom u poređenju sa opterećenjem ili, ako se to ne može uraditi, da se odluči za modifikovano kolo, na primer, da se doda pratilac napona koji bolje odgovara opterećenju.

Ranija procena je pokazala da je izlazni otpor kaskoda veoma veliki. Implikacija je da mnogi otpori opterećenja neće zadovoljiti uslov R_L >> R_out (važan izuzetak je pokretanje MOSFET-a kao opterećenja, koji ima beskonačnu ulaznu impedansu niske frekvencije). Međutim, neispunjavanje uslova R_L >> R_out nije katastrofalan jer je dobitak kaskoda takođe veoma veliki. Ako je dizajner voljan, veliki dobitak se može žrtvovati kako bi se omogućila niska otpornost na opterećenje; za R_L << R_out Pojačavanje se pojednostavljuje na sledeći način:

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

Ovo pojačanje je isto kao i za ulazni tranzistor koji deluje sam. Stoga, čak i žrtvujući pojačanje, kaskod proizvodi isto pojačanje kao transkonduktivni pojačavač sa jednim tranzistorom, ali sa širim propusnim opsegom.

Pošto su pojačala širokog propusnog opsega, isti pristup može odrediti propusni opseg kola kada je priključen kondenzator opterećenja (sa ili bez otpornika opterećenja). Potrebna pretpostavka je da je kapacitet opterećenja dovoljno velik da kontroliše zavisnost od frekvencije, a propusni opseg nije kontrolisan zanemarenim parazitnim kapacitetima samih tranzistora.

Visokofrekventni dizajn

Na visokim frekvencijama, parazitni kapaciteti tranzistora (od kapije do odvoda, od kapije do izvora, odvoda do tela i bipolarni ekvivalenti) moraju biti uključeni u hibridne-π modele da bi se dobio tačan frekventni odziv. Ciljevi dizajna se takođe razlikuju od naglaska na ukupnom visokom pojačanju kao što je gore opisano za niskofrekventni dizajn. U visokofrekventnim kolima, usklađivanje impedanse na ulazu i izlazu pojačala je obično poželjno kako bi se eliminisale refleksije signala i maksimiziralo povećanje snage. U kaskodu, izolaciju između ulaznog i izlaznog porta i dalje karakteriše mali termin za reverzni prenos g₁₂, što olakšava projektovanje mreža za podudaranje jer je pojačalo približno jednostrano.

Literatura

• Bipolarni tranzistor
• Tranzistor sa efektom polja
• Mosfet tranzistor

Spoljašnje veze

• Rečnik elektronike