Cascode - Cascode

Kaskod iki aşamalı bir amplifikatör , bir oluşmaktadır Ortak-yayıcı bir içine kademeli besleme ortak baz aşaması.

Tek bir amplifikatör aşamasıyla karşılaştırıldığında, bu kombinasyon aşağıdaki özelliklerden bir veya daha fazlasına sahip olabilir: daha yüksek giriş-çıkış yalıtımı, daha yüksek giriş empedansı , yüksek çıkış empedansı , daha yüksek bant genişliği .

Modern devrelerde, kaskod genellikle iki transistörden ( BJT'ler veya FET'ler ) yapılır; bunlardan biri ortak yayıcı veya ortak kaynak olarak ve diğeri ortak bir taban veya ortak kapı olarak çalışır . Kaskod, çıkıştan girişe doğrudan bağlantı olmadığından giriş-çıkış yalıtımını iyileştirir (ters iletimi azaltır). Bu, Miller etkisini ortadan kaldırır ve böylece çok daha yüksek bir bant genişliğine katkıda bulunur.

Tarih

(Bazen bir kaskodda kullanımı verbified için cascoding ) iyileştirilmesi için yaygın bir tekniktir analog devre her ikisine de uygulanabilir performans, vakum tüpleri ve transistörler . "Kascode" adı , 1939'da Frederick Vinton Hunt ve Roger Wayne Hickman tarafından yazılan bir makalede , voltaj stabilizatörlerinin uygulanmasıyla ilgili bir tartışmada ortaya çıktı . İki bir kaskod önerilen triodların (ortak bir birinci, bir katot kurulumu ortak ikinci bir ızgara , bir bir yerine) pentot ve adı CASC (Aded tri)" bir kısaltma olarak kabul edilebilir, böylelikle tek bir kasideye benzer, ancak ondan daha az gürültülü özelliklere sahip olan kaside yükselticisi". Cascode devreleri, düşük gürültüleri ve daha geniş bant genişlikleri nedeniyle erken televizyon setlerinde 'ön uç' veya tuner için kullanıldı.

Operasyon

Şekil 1: N kanallı A sınıfı kaskod amplifikatör

Şekil 1, bir sinyal kaynağı tarafından sürülen giriş aşaması olarak ortak kaynaklı bir amplifikatöre sahip bir kademeli amplifikatör örneğini gösterir , V in . Bu giriş katı , çıkış sinyali V out olan bir ortak kapılı amplifikatörü çıkış katı olarak çalıştırır .

Alt FET yürütürken, üst FET'in kaynak voltajını değiştirir ve üst FET, kapısı ve kaynağı arasındaki değişen potansiyel nedeniyle iletir.

Bu devre düzenlemesinin en büyük avantajı , giriş (alt) FET'in çıkış terminalinin (tahliye) yükü olarak üst alan etkili transistörün (FET) yerleştirilmesinden kaynaklanmaktadır . Çalışma frekanslarında üst FET'in kapısı etkin bir şekilde topraklandığından, üst FET'in kaynak voltajı (ve dolayısıyla giriş transistörünün tahliyesi) çalışma sırasında neredeyse sabit voltajda tutulur. Başka bir deyişle, üst FET, alt FET'e karşı düşük bir giriş direnci sergiler, bu da alt FET'in voltaj kazancını çok küçük yapar, bu da alt FET'in drenajından kapıya Miller etkisi geri besleme kapasitansını önemli ölçüde azaltır . Bu voltaj kazancı kaybı, üst FET tarafından geri kazanılır. Böylece, üst transistör, alt FET'in bant genişliğini geliştirerek minimum negatif (Miller) geri besleme ile çalışmasına izin verir.

Üst FET kapısı, şarj ve parazit kapasitans, deşarj nedenle, topraklanmış dg sadece yoluyla drenaj ve kapı arasındaki, R, D ve çıkış yükü (örneğin R, dışarı sadece yukarıda frekanslar için), ve frekans tepkisi etkilenmektedir ilişkili RC zaman sabiti τ = C dg R D // R out , yani f = 1/(2 πτ ), C dg küçük olduğu için oldukça yüksek bir frekans . Kendisine, üst FET kapı Miller amplifikasyonu muzdarip değildir dg .

Üst FET aşaması, kaynağını giriş düğümü (yani, ortak kapı (CG) konfigürasyonu) olarak kullanarak tek başına çalıştırılsaydı, iyi bir voltaj kazancı ve geniş bant genişliği olurdu. Bununla birlikte, düşük giriş empedansı, kullanışlılığını çok düşük empedanslı voltaj sürücüleriyle sınırlayacaktır. Daha düşük FET'in eklenmesi, yüksek giriş empedansı ile sonuçlanır ve kaskod aşamasının yüksek empedanslı bir kaynak tarafından sürülmesine izin verir.

Biri üst FET'i tipik bir endüktif/dirençli yük ile değiştirecek ve giriş transistörünün tahliyesinden (yani, bir ortak kaynaklı (CS) konfigürasyonu) çıktı alacak olsaydı, CS konfigürasyonu kaskod ile aynı giriş empedansını sunardı. , ancak kaskod yapılandırması potansiyel olarak daha büyük bir kazanç ve çok daha fazla bant genişliği sunacaktır.

istikrar

Kaskod düzenlemesi de çok kararlı. Çıkışı hem elektriksel hem de fiziksel olarak girişten etkin bir şekilde izole edilmiştir. Alt transistör, hem boşaltmada hem de kaynakta neredeyse sabit voltaja sahiptir ve bu nedenle, kapısına geri beslenecek "hiçbir şey" yoktur. Üst transistörün kapısında ve kaynağında neredeyse sabit voltaj vardır. Böylece, üzerlerinde önemli voltaj bulunan düğümler yalnızca giriş ve çıkıştır ve bunlar, neredeyse sabit voltajın merkezi bağlantısı ve iki transistörün fiziksel mesafesi ile ayrılır. Bu nedenle pratikte çıktıdan girdiye çok az geri bildirim vardır. Metal ekranlama, gerektiğinde daha da fazla izolasyon için iki transistör arasında hem etkili hem de sağlanması kolaydır. Bu, yüksek frekanslarda nötrleştirme gerektiren tek transistörlü amplifikatör devrelerinde zor olacaktır .

önyargı

Gösterildiği gibi, iki "yığılmış" FET kullanan kaskod devresi, iki FET'e bazı kısıtlamalar getirir - yani, kaynak voltajının yeterince yüksek olması için üst FET'in önyargılı olması gerekir (alt FET boşaltma voltajı çok düşük sallanarak doymasına neden olabilir) ). FET'ler için bu koşulun sağlanması, çiftin dikkatli seçimini veya üst FET kapısının özel önyargısını gerektirir, bu da maliyeti artırır.

Kademeli devre ayrıca bipolar transistörler veya MOSFET'ler veya hatta bir FET (veya MOSFET) ve bir BJT kullanılarak da oluşturulabilir. Bu devre düzenlemesi, vakum tüpleri kullandıklarında VHF televizyon alıcılarında çok yaygındı .

Avantajlar

Kademeli düzenleme, yüksek kazanç, yüksek bant genişliği, yüksek dönüş hızı , yüksek kararlılık ve yüksek giriş empedansı sunar. İki transistörlü bir devre için parça sayısı çok düşüktür

Dezavantajları

Kaskod devresi iki transistör gerektirir ve nispeten yüksek bir besleme voltajı gerektirir. İki FET kaskodu için, her iki transistör , besleme voltajına daha düşük bir sınır uygulayarak, çalışırken geniş V DS ile polarlanmalıdır .

Çift kapılı versiyon

Bir çift kapı MOSFET "tek transistör" kaskodda sıklıkta çalışır. Hassas VHF alıcılarının ön uçlarında ortak olan, çift ​​kapılı bir MOSFET, birincil kapı (genellikle MOSFET üreticileri tarafından "kapı 1" olarak adlandırılır) girişe bağlı ve ikinci kapı topraklanmış (baypaslanmış) olan bir ortak kaynak amplifikatörü olarak çalıştırılır. . Dahili olarak, bitişik iki kapı tarafından kapsanan bir kanal vardır; bu nedenle, elde edilen devre elektriksel olarak iki FET'ten oluşan bir kaskoddur, ortak alt kanaldan üst kaynağa bağlantı sadece tek kanalın iki kapı arasındaki sınıra fiziksel olarak bitişik olan kısmıdır.

Süperheterodin alıcılarında karıştırıcı

Bir kaskod devresi, süperheterodin alıcılarda çoğalan bir karıştırıcı devre olarak çok kullanışlıdır . Alt kapıda RF sinyali miksere beslenir ve üst kapıda lokal osilatör sinyali miksere beslenir. Her iki sinyal de karıştırıcı tarafından çarpılır ve fark frekansı, ara frekans , kaskod karıştırıcının üst drenajından alınır.

Bu, dengeli karıştırıcıyı ve ardından Gilbert hücreli çift dengeli karıştırıcıyı oluşturmak için tüm diferansiyel amplifikatör aşamalarının basamaklandırılmasıyla daha da geliştirildi .

Diğer uygulamalar

Entegre devrelerin yükselişi ile transistörler silikon kalıp alanı açısından ucuzladı. Özellikle MOSFET teknolojisinde , çıkış akım kaynağının çıkış empedansını artırmak için akım aynalarında kasko kullanılabilir .

Cascode'un değiştirilmiş bir versiyonu , özellikle genlik modülasyonu için bir modülatör olarak da kullanılabilir . Üstteki cihaz ses sinyalini sağlar ve alttaki RF amplifikatör cihazıdır.

Yüksek voltajlı yığın

Bir kaskod ayrıca yüksek voltajlı bir transistör oluşturmak için bir voltaj merdiveni ile birleştirilebilir . Giriş transistörü herhangi bir düşük- U CEO tipinde olabilirken, diğerleri, yığınlanmış lineer seri voltaj regülatörleri olarak hareket ederek , besleme voltajının önemli bir kısmına dayanabilmelidir. Büyük bir çıkış gerilim salıncak için, onların temel gerilim gerektiğini Not değil kapasitörler tarafından toprağa atlanabilir ve en üst merdiven direnci tam besleme voltaja dayanıklı olmalıdır. Bu, lineer seri voltaj regülatörünün aslında giriş ve çıkış tanımları değiştirilmiş bir akım tamponu olduğunu gösterir .

İki bağlantı noktalı parametreler

Kademeli konfigürasyon , giriş empedansı , çıkış empedansı ve voltaj kazancı kullanılarak basit bir voltaj yükselticisi olarak (veya daha doğrusu g parametresi iki kapılı bir ağ olarak ) temsil edilebilir . Bu parametreler, aşağıdaki karşılık gelen g- parametreleri ile ilgilidir . Burada dikkate alınmayan diğer faydalı özellikler, devre bant genişliği ve dinamik aralıktır .

BJT kaskodu: düşük frekanslı küçük sinyal parametreleri

Şekil 2: DC öngerilimi ve büyük kuplaj kapasitörlerini toprağa ve AC sinyal kaynağına ideal akım kaynakları kullanan BJT Cascode; kapasitörler AC için kısa devrelerdir

İdealize edilmiş küçük sinyal eşdeğer devresi, akım kaynakları açık devrelerle ve kapasitörler kısa devrelerle değiştirilerek, ilgilenilen frekanslarda kısa devre görevi görecek kadar büyük oldukları varsayılarak, Şekil 2'deki devre için oluşturulabilir. BJT'ler, küçük sinyal devresinde hibrit-π modeli ile temsil edilebilir .

Tanım İfade
Voltaj kazancı
giriş direnci
Çıkış direnci

MOSFET kaskodu: düşük frekanslı küçük sinyal parametreleri

Şekil 3: DC kapı sapması için ideal voltaj kaynakları ve aktif yük olarak bir DC akım kaynağı kullanan MOSFET Cascode. Her MOSFET transistörün bağlı kapısı ve kaynağı olduğundan, bu yapılandırma yalnızca ayrık 3 terminalli bileşenler için geçerlidir.

Benzer şekilde, MOSFET versiyonu için küçük sinyal parametreleri türetilebilir, ayrıca MOSFET'in hibrit-π model eşdeğeri ile değiştirilir. Bu türetme, MOSFET kapı akımının sıfır olduğuna dikkat edilerek basitleştirilebilir, bu nedenle BJT için küçük sinyal modeli, sıfır temel akım sınırında MOSFET'inki olur:

burada V , T ise termal gerilim .

Tanım İfade
Voltaj kazancı
giriş direnci
Çıkış direnci

g m r O faktörlerinin kombinasyonu, genellikle yukarıdaki formüllerde ortaya çıkar ve daha fazla incelemeye davet eder. Bipolar transistör için bu ürün (bkz. hybrid-pi modeli ):

Tipik bir ayrık iki kutuplu cihazda Erken voltaj V A ≈ 100 V ve oda sıcaklığına yakın termal voltaj V T ≈ 25 mV'dir, bu da g m r O ≈ 4000'i oldukça büyük bir sayı yapar.

Hybrid-pi modeli ile ilgili makaleden aktif modda MOSFET için şunları buluyoruz:

En 65 nm teknolojisi düğümü, bir D ≈ 1.2 mA / genişlik μ, besleme voltajı V DD = 1.1 V; V th ≈ 165 mV ve V ov = V GS -V th ≈ %5 V DD ≈ 55 mV. Tipik bir uzunluğu minimumun iki katı, L = 2 L min = 0.130 μm ve tipik bir λ ≈ 1/(4 V/μm L ) alarak , 1/λ ≈ 2 V ve g m r O ≈ 110 buluyoruz. , hala büyük bir değer. Mesele şu ki, g m r O neredeyse teknolojiden bağımsız olarak büyük olduğundan, hem MOSFET hem de bipolar kaskod için tablolaştırılmış kazanç ve çıkış direnci çok büyüktür. Bu gerçeğin aşağıdaki tartışmada etkileri vardır.

Düşük frekanslı tasarım

Şekil 4 Üst: Hibrit-pi modelini kullanan küçük sinyal BJT kaskodu Alt: Amplifikatör düşük frekans parametreleri kullanan BJT kaskodu için eşdeğer devre

Yukarıdaki formüllerde bulunan g-parametreleri, orijinal kaskod ( eşdeğer devre ) ile aynı kazanç, giriş ve çıkış direncine sahip bir küçük sinyal voltaj yükselticisi oluşturmak için kullanılabilir . Bu devre, yalnızca transistör parazitik kapasitanslarının önemli olmadığı kadar düşük frekanslarda geçerlidir . Şekil, orijinal kaskodu (Şekil 1) ve eşdeğer voltaj yükselticisini veya g eşdeğeri iki bağlantı noktalı (Şekil 4) gösterir. Eşdeğer devre, farklı sürücüler ve yükler için devre davranışının daha kolay hesaplanmasını sağlar. Şekilde bir Thévenin eşdeğer Thévenin direnci ile voltaj kaynağı R , S amplifikatör tahrik eder ve çıkışta basit bir yük direnci R L takılır. Eşdeğer devreyi kullanarak, amplifikatörün giriş voltajı şu şekildedir (bkz. Voltaj bölücü ):

,

burada Şekil direnç ile bir sürücü kullanılmasının önemi R , S << R olarak amplifikatör giren sinyal önlemek zayıflamasından. Yukarıdaki amplifikatör özellikleri, biz görüyoruz R içinde bir giriş sinyali zayıflama bu durumda ortaya çıkan çok MOSFET kaskodda için sonsuzdur. BJT kaskodu daha kısıtlayıcıdır çünkü R in = r π2 .

Benzer şekilde, eşdeğer devreden gelen çıkış sinyali

.

Düşük frekanslı devrelerde, tipik olarak yüksek bir voltaj kazancı arzu edilir, bu nedenle yüke ulaşan sinyalin zayıflamasını önlemek için R L >> R out dirençli bir yük kullanılması önemlidir . İçin formül R dışı bir yüke veya bir tadil edilmiş bir devreye karar vermek için, yapılamaz ise, örneğin, ekleme kıyasla yeterince küçük bir çıkış dirençli bir amplifikatör tasarımı da kullanılabilir voltaj takipçisi yük eşleşen daha iyi.

Daha önceki tahmin, kaskod çıkış direncinin çok büyük olduğunu gösterdi. Bunun anlamı, birçok yük direncinin R L >> R out koşulunu karşılamamasıdır (önemli bir istisna, sonsuz düşük frekans giriş empedansına sahip yük olarak bir MOSFET sürmektir). Ancak, R L >> R out koşulunun sağlanamaması felaket değildir çünkü kaskod kazancı da çok büyüktür. Tasarımcı isterse, düşük yük direncine izin vermek için büyük kazançtan vazgeçilebilir; için R L << R dışarı aşağıdaki gibi kazanç basitleştirir:

.

Bu kazanç, tek başına hareket eden giriş transistörünün kazancı ile aynıdır. Böylece, kazancı feda etse bile, kaskod, tek transistörlü transkondüktans amplifikatörü ile aynı kazancı, ancak daha geniş bant genişliği ile üretir.

Amplifikatörler geniş bant genişliğine sahip olduğundan, aynı yaklaşım, bir yük kapasitörü eklendiğinde (yük direnci olan veya olmayan) devrenin bant genişliğini belirleyebilir. Gereken varsayım, yük kapasitansının frekans bağımlılığını kontrol edecek kadar büyük olduğu ve bant genişliğinin transistörlerin ihmal edilen parazitik kapasitansları tarafından kontrol edilmediğidir.

Yüksek frekanslı tasarım

Yüksek frekanslarda, doğru bir frekans yanıtı elde etmek için transistörlerin parazitik kapasitansları (kapıdan tahliyeye, kapıdan kaynağa, tahliyeden gövdeye ve bipolar eşdeğerleri) hibrit-π modellerine dahil edilmelidir. Tasarım hedefleri, düşük frekanslı tasarım için yukarıda açıklandığı gibi genel yüksek kazanç vurgusundan da farklıdır. Yüksek frekanslı devrelerde, sinyal yansımalarını ortadan kaldırmak ve güç kazancını en üst düzeye çıkarmak için amplifikatörün giriş ve çıkışındaki empedans uyumu tipik olarak istenir . Kaskodda olarak, giriş ve çıkış arasındaki izolasyon bağlantı noktaları hala küçük ters iletim terimi g ile karakterize edilir 12. amplifikatör yaklaşık tek taraflı olduğu için daha kolay uygun ağlar tasarım, yapım.

Referanslar