4. Каскодные схемы.

В лекции № 6 рассматривались согласующие свойства усилительных каскадов на биполярных и полевых транзисторах на средних частотах. Но с повышением частоты режим транзистора меняется, так как на его работу начинают оказывать паразитные ёмкости. На рис.8.8 показаны три ёмкости, которые проявляются у транзистора в высокочастотном диапазоне.

Рис.8.8

Рис.8.9.

Проходная ёмкость (С_кб) показана крупным планом, так как именно эта ёмкость оказывает наибольший вред работе транзистора в режиме усиления на высоких частотах: проходная ёмкость вызывает увеличение входной ёмкости, что, в свою очередь, нарушает работу источника входного сигнала. Это явление получило название эффекта Миллера (лекция № 4). В режиме ключа это явление затрудняет переключение транзистора. Для количественной оценки степени влияния проходной ёмкости вычисляют эквивалентную входную ёмкость

где «К»─ коэффициент усиления по напряжению. Следовательно, величина С_вх.экв пропорциональна коэффициенту усиления.

На рис.8.9. дана схема, которая свободна от названного недостатка. Эта схема получила название каскодной.

В схеме каскода используются два транзистора, которые соединены последовательно, поэтому токи через них будут одинаковыми.

Транзистор VT₁ в схеме каскода включен по схеме с ОЭ, а транзистор VT₂ ─ по схеме с ОБ. Напряжение смещения Е_см обеспечивает транзисторам активный режим. Такое включение транзисторов является одним из вариантов схемы составного транзистора. Определим коэффициент передачи тока эмиттера в таком включении транзисторов

Разделим ток коллектора транзистора VT₂ на ток эмиттера транзистора VT₁, получаем

Вывод. Коэффициент передачи тока эмиттера при каскодном соединении отличается незначительно от коэффициента передачи тока эмиттера транзистора в обычной схеме включения с ОЭ.

Коэффициент усиления по напряжению в каскодной схеме тоже «не пострадал». Но главное преимущество каскодной схемы перед обычным усилителем выразилось в том, что удалось «развязать» точку выхода (коллектор транзистора VT₂) и точку входа (база транзистора VT₁): в обычном усилителе на транзисторе с ОЭ эта связь выхода с входом происходила за счёт ёмкости С_к и сопротивления r_к. Такая развязка состоялась потому, что база транзистора VT₂ находится под постоянным потенциалом Е_см: напряжение источника смещения можно считать напряжением питания коллекторной цепи транзистора VT₁. Следовательно, нагрузкой этого транзистора будет низкоомный прямосмещённый p-n-переход транзистора VT₂, и получается, что транзистор VT₁ работает в режиме короткого замыкания по коллекторной цепи. При таких условиях коэффициент усиления по току транзистора VT₁ близок к нулю и входная ёмкость этого транзистора равна собственной проходной ёмкости. С_к1 Таким образом, каскодная схема свободна от эффекта Миллера.

Выходное напряжение вызывает протекание тока через ёмкость С_к2, но этот ток не попадает в коллекторную цепь транзистора VT₁: этот ток замыкается через источник смещения Е_см на землю. Таким образом, между входом и выходом отсутствует обратная связь и причина, по которой может произойти самовозбуждение усилителя, почти устраняется. Благодаря этому каскодные схемы широко используются в аналоговой интегральной технике как на биполярных, так и на МОП-транзисторах (резонансные усилители, источники тока с большим внутренним сопротивлением).