Основные схемы каскодного включения транзисторов

Каскоды – усилители на двух транзисторах, их преимущества перед однотранзисторными усилительными каскадами. Как рассчитать режимы работы каскодов на биполярных и полевых транзисторах?

Каскодный усилитель – это усилительный каскад, содержащий два активных трёхэлектродных элемента (в нашем случае транзистора), первый из которых для переменного сигнала включен по схеме с общим эмиттером (истоком для ПТ, катодом для ламп), а второй – по схеме с общей базой (затвором, сеткой).

Эта конфигурация, а соответственно, и определение были придуманы ещё в эпоху царствования электровакуумных триодов, однако большинство свойств каскодных усилителей распространяется на варианты применения вместо ламп транзисторов. Мало того, после появления на свет транзисторов разной проводимости и связанным с этим развитием схемотехнических построений, в некоторых источниках под каскодом стали понимать двухкаскадные транзисторные усилители с любой из возможных схем включения их электродов, лишь бы они не имели межкаскадных частотно-зависимых элементов.

Однако в рамках данной статьи мы поведём речь о классической комбинации ОЭ (ОИ) – ОБ (ОЗ), изображённой на Рис.1 и наиболее часто используемой в высокочастотной схемотехнике.

Рис.1 Каскодные усилители на биполярных транзисторах (б) и полевых транзисторах (в)

Слова "ВЧ схемотехника", по отношению к каскодному усилителю, применены не случайно, так как именно с точки зрения широкополосности каскод обладает существенными достоинствами перед расхожим однотранзисторным каскадом ОЭ (Рис.1 а)). На частотах до нескольких сотен кГц – преимуществ нет практически никаких!

И действительно, в простом однотранзисторном усилителе ОЭ выход (коллектор) связан со входом (базой) через ёмкость коллекторного перехода транзистора Ск, что при Кu > 1 приводит к увеличению входной ёмкости каскада до значения С_вх = С_К (К_u + 1), где К_u ≈ αR_к/R_э – коэффициент усиления каскада по напряжению. Это ограничивает верхнюю граничную частоту ω_В и, при наличии индуктивной нагрузки и высоком К_u, легко может привести к самовозбуждению каскада на высоких частотах. А если углубляться в термины, то данный эффект умножения ёмкости коллектор-база на коэффициент усиления по напряжению, уменьшающее отклик усилителя с ОЭ на высоких частотах, называется эффектом Миллера. Но об этом чуть позже.

Теперь движемся в сторону каскодной схемы ОЭ-ОБ (Рис.1 б)). Здесь транзистор Т1 включен по схеме ОЭ, а транзистор Т2 – по схеме ОБ. Потенциалы баз транзисторов, а соответственно, и эмиттеров (Uэ = Uб - 0,6...0,7 В) определяются номиналами резисторов Rб1.1, Rб1.2 и Rб2.1, Rб2.2. Таким образом, Rб2.1, Rб2.2 фиксируют величину потенциала в точке соединения транзисторов, а Rб1.1, Rб1.2 отвечают за выходной ток, протекающий через коллекторные цепи каскода.

Поскольку нагрузкой транзистора T1 является малое сопротивление эмиттерного перехода Т2, которое приблизительно равно: r_э(Ом) ≈ 25,6/I_э(мА), то и коэффициент усиления напряжения этого каскада невысок:
K_{u_Т1} = r_{э_Т2}/(r_{э_Т1} + R_э).
При шунтировании Rэ конденсатором Сэ:
K_{u_Т1} = r_{э_Т2}/r_{э_Т1} ≈ 1.
Таким образом, каскад ОЭ не обладает усилением по напряжению, что, в свою очередь, приводит к отсутствию в транзисторе Т1 эффекта Миллера, приводящего к существенному снижению его частотной характеристики.

Входное сопротивление каскодного усилителя ничем не отличается от Rвх каскада с ОЭ и равно:
R_вх = [(r_{э_Т1} + R_э) x (1 + β)] ll R_б1.1 ll R_б1.2 .

Каскад ОБ, выполненный на транзисторе Т2, имеет коэффициент усиления по напряжению:
K_{u_Т2} = R_к x β/[r_{э_Т2} x (β +1)] ≈ R_к/r_{э_Т2}.

Объединив Ku обоих каскадов, получим итоговую величину коэффициента усиления каскода:
K_u ≈ R_к/(r_э + R_э) или
K_u ≈ R_к/r_э – при шунтировании Rэ конденсатором Сэ.

Выходное сопротивление каскодного усилителя ничем не отличается от Rвых каскада ОБ и равно:
R_вых = R_к ll (r_{э_Т2} + r_{к_Т2}) ≈ R_к.

Принципы работы и параметры каскодного усилителя на полевых транзисторах (Рис.1 в)) не сильно отличаются от каскода, построенного на биполярных полупроводниках. Единственным отличием является высокое входное сопротивление, определяемое величиной резистора Rз1 и входной ёмкостью полевика.

Для наглядности на Рис.2 приведены АЧХ каскодного усилителя (красный цвет) и каскада с ОЭ (синий цвет) на транзисторах Q2N2222.
На диаграммах можно увидеть, что каскодный усилитель имеет слегка улучшенный Кu в середине диапазона и более, чем в 2 раза более широкую полосу пропускания (по уровню -3 дБ) по сравнению с ОЭ.

А теперь можно подвести итоги:

1. Каскодный усилитель состоит из каскада с общим эмиттером (истоком), нагруженного каскадом с общей базой (общим затвором).
2. Сильно нагруженный каскад с общим эмиттером обладает низким коэффициентом усиления по напряжению (не превышающим 1), что устраняет влияние эффекта Миллера и расширяет (по сравнению с каскадом ОЭ) полосу пропускания, а также повышает устойчивость усилителя при работе на высоких частотах.
3. Каскодный усилитель обладает относительно высоким входным сопротивлением Rвх, высоким выходным сопротивлением Rвых и коэффициентом усиления, близким к Кu каскада ОЭ.

Рис.2 АЧХ каскодного усилителя и каскада ОЭ