Penguat Cascode: Menggabungkan Penguat Emitter Umum dan Basis Umum untuk Lebar Pita dan Impedansi Masukan Tinggi

Meskipun penguat basis umum (C-B) menawarkan lebar pita yang lebih luas dari tahap emitter umum (C-E), impedansi masukannya—puluhan ohm—membatasi kegunaannya. Solusi umum adalah mendahului tahap C-B dengan pengemudi C-E gain rendah yang menyediakan impedansi masukan yang lebih tinggi dalam kisaran kilo-ohm.

Tahap-tahap disusun dalam konfigurasi cascode, bertumpuk secara seri daripada disusun kaskade seperti dalam rantai penguat konvensional.

Dalam penguat emitter umum tiga tahap yang biasanya dikapalkan kapasitor, topologi cascode digunakan. Ini memberikan lebar pita yang luas dan impedansi masukan yang cukup tinggi.

Penguat cascode menggabungkan tahap emitter umum dengan tahap basis umum. Dalam analisis AC, suplai daya dan kapasitor pengkait DC dimodelkan sebagai rangkaian pendek.

Lebar Pita, Kapasitansi, dan Efek Miller

Lebar pita yang diperpanjang cascode berasal dari efek Miller. Dalam tahap C-E, kapasitansi kolektor-basis (Ccbo) dikalikan dengan magnitudo gain tegangan (Av). Meskipun Ccbo lebih kecil dari kapasitansi emitter-basis, simpul kolektor berfasa 180° keluar fase dengan masukan basis. Feedback melalui Ccbo muncul sebagai (1 + |Av|) kali kapasitansi fisik, membatasi respons frekuensi tinggi dari penguat C-E mandiri.

Gain tegangan perkiraan dari penguat C-E dalam gambar di bawah ini adalah Av = –RL/rEE. Dengan arus emitter 1,0 mA, resistansi emitter adalah REE = 26 mΩ/IE = 26 Ω. Jadi, Av = –RL/REE = –4700/26 ≈ –181. Datasheet pn2222 mencantumkan Ccbo = 8 pF.[FAR] Kapasitansi Miller adalah oleh karena itu Cmiller = Ccbo(1–Av) = 8 pF × (1–(–181)) ≈ 1456 pF.

Konfigurasi basis umum tidak terpengaruh oleh efek Miller karena basis yang dihubungkan ke ground mengisolasi kolektor dari feedback ke masukan emitter. Akibatnya, penguat C-B menunjukkan performa frekuensi tinggi yang unggul. Untuk mencapai impedansi masukan yang cukup tinggi sambil mempertahankan manfaat tahap C-E, tahap C-E dibias untuk gain tegangan rendah sekitar 1. Ini mengurangi perkalian Miller menjadi 2 × Ccbo.

Kunci untuk mengurangi gain C-E adalah dengan menurunkan resistansi beban. Gain tegangan penguat C-E sekitar RC/RE. Dengan resistansi emitter internal rEE ≈ 26 Ω pada 1 mA, dan beban kolektor RC sama dengan emitter dari tahap C-B (26 Ω), gain menjadi Av = RC/RE ≈ 1. Kapasitansi Miller kemudian berkurang menjadi Cmiller = Ccbo(1–Av) = 8 pF × (1–(–1)) = 16 pF. Kami sekarang memiliki tahap C-E dengan impedansi masukan sederhana, efek Miller yang dapat diabaikan, dan tanpa gain tegangan yang signifikan. Tahap C-B berikutnya menyediakan gain tegangan tinggi (Av ≈ –181). Gain arus keseluruhan dari cascode sama dengan \beta dari tahap C-E, memberikan \beta keseluruhan yang kuat.

SPICE: Perbandingan penguat cascode versus penguat emitter umum.

Perbandingan Penguat Cascode versus Penguat Emitter Umum

Simulasi SPICE di bawah ini membandingkan penguat cascode dengan penguat emitter umum standar. Sumber AC V3 menggerakkan kedua tahap melalui simpul 4. Resistor bias dihitung seperti dalam contoh masalah.

Bentuk gelombang SPICH. Perhatikan bahwa masukan dikalikan sepuluh untuk visibilitas.

Netlist SPICE untuk mencetak tegangan masukan dan keluaran AC.

 *SPICE circuit <03502.eps> from XCircuit v3.20 V1 19 0 10 Q1 13 15 0 q2n2222 R1 19 13 4.7k V2 16 0 1.5 C1 4 15 10n R2 15 16 80k Q3 A 5 0 q2n2222 V3 4 6 SIN(0 0.1 1k) ac 1 R3 1 2 80k R4 3 9 4.7k C2 2 0 10n C3 4 5 10n R5 5 6 80k V4 1 0 11.5 V5 9 0 20 V6 6 0 1.5 .model q2n2222 npn (is=19f bf=150 + vaf=100 ikf=0.18 ise=50p ne=2.5 br=7.5 + var=6.4 ikr=12m isc=8.7p nc=1.2 rb=50 + re=0.4 rc=0.3 cje=26p tf=0.5n + cjc=11p tr=7n xtb=1.5 kf=0.032f af=1) .tran 1u 5m .AC DEC 10 1k 100Meg .end 

Bentuk gelombang mengilustrasikan perilaku cascode. Sinyal masukan ditunjukkan diperbesar sepuluh kali untuk kejelasan. Keduanya, keluaran cascode dan emitter umum, terbalik relatif terhadap masukan, dan cascode mencapai gain tengah-pita sedikit lebih tinggi. Plot respons frekuensi di bawah ini menggambarkan lebar pita –3 dB dari setiap penguat.

Catatan: Bagian ini mungkin memiliki ketidakakuratan dan memerlukan revisi. Silakan merujuk pada komentar di bagian bawah halaman untuk detail lebih lanjut.

Gambar di bawah ini menunjukkan respons frekuensi dari kedua penguat. Perintah SPICE yang bertanggung jawab untuk analisis AC diekstraksi dari daftar:

 V3 4 6 SIN(0 0.1 1k) ac 1 .AC DEC 10 1k 100Meg 

Cascode menunjukkan gain tengah-pita yang sedikit lebih baik. Untuk titik –3 dB, cascode mencapai sekitar 5 MHz, sementara tahap emitter umum mencapai puncak di sekitar 2 MHz. Oleh karena itu, cascode menawarkan lebar pita yang lebih luas. Gulir rendah frekuensi didominasi oleh kapasitor pengkait dan dapat diminimalkan dengan menggunakan nilai yang lebih besar. Untuk aplikasi RF, sepasang transistor dengan kapasitansi antar-elektroda rendah direkomendasikan untuk mencapai lebar pita yang lebih tinggi. Secara historis, penguat cascode BJT digunakan dalam tuner TV UHF sebelum kemunculan MOSFET gerbang ganda.

Ulasan

• Penguat cascode terdiri dari tahap emitter umum yang dibebani oleh emitter dari tahap basis umum.
• Tahap C-E yang terbeban beban berat memiliki gain rendah (~1), yang mengurangi efek Miller.
• Penguat cascode memberikan gain tegangan tinggi, impedansi masukan sederhana, impedansi keluaran tinggi, dan lebar pita yang luas.

Lembar Kerja Terkait

• Lembar Kerja Penguat BJT Kelas A