Cascode

Cascode

cascode es un de dos etapas amplificador integrado por a transconductancia el amplificador siguió por a almacenador intermediario actual. Comparado a una sola etapa del amplificador, esta combinación puede tener una o más de las ventajas siguientes: un aislamiento más alto de la entrada-salida, más arriba impedancia de la entrada, más arriba impedancia de la salida, más arriba aumento o más arriba anchura de banda. En circuitos modernos, el cascode se construye a menudo a partir del dos transistores, con uno funcionando como a emisor común o fuente común y el otro como a base común o puerta común. El cascode mejora el aislamiento de la entrada-salida (o la transmisión del revés) pues no hay empalme directo de la salida a entrar. Esto elimina Efecto de Molinero y contribuye así a una anchura de banda más alta.

Historia

El cascode es una técnica universal para mejorar circuito análogo funcionamiento, aplicable a ambos tubos de vacío y transistores. La palabra primero fue utilizada en un artículo por F.V. Caza y R.W. Hickman en 1939, en una discusión para el uso en punto bajo estabilizadores del voltaje. Propusieron un cascode de dos triodos (primer uno con el campo común cátodo, segundo con el campo común rejilla) como reemplazo de a pentodo.

Operación

El cuadro 1 demuestra un ejemplo del amplificador del cascode con a fuente común amplificador como etapa de la entrada conducida por fuente de la señal V_en. Esta etapa de la entrada conduce a puerta común amplificador como etapa de la salida, con la señal de salida V_{hacia fuera}.

La ventaja principal de este arreglo del circuito proviene la colocación del FET superior como la carga del terminal de salida del FET de la entrada (dren). Porque en el funcionamiento de frecuencias la puerta del FET superior se pone a tierra con eficacia, el voltaje de la fuente del FET superior (y por lo tanto el dren del transistor de la entrada) se sostiene en el voltaje casi constante durante la operación. Es decir el FET superior exhibe una resistencia baja de la entrada al FET más bajo, haciendo el aumento del voltaje del FET más bajo muy pequeño, que reduce dramáticamente Molinero capacitancia de regeneración del dren del FET más bajo a bloquear. Esta pérdida de aumento del voltaje es recuperada por el FET superior. Así, el transistor superior permite que el FET más bajo funcione con la regeneración negativa mínima (de Molinero), mejorando su anchura de banda.

La puerta superior del FET se pone a tierra eléctricamente, así que carga y descarga de la capacitancia perdida C_dg entre el dren y la puerta está simplemente a través R_D y la carga de la salida (opinión R_{hacia fuera}), y la respuesta de frecuencia se afecta solamente para las frecuencias sobre el asociado Constante del tiempo de RC: τ = C_dg R_D//R_{hacia fuera}, a saber f = 1 (2πτ), un algo de alta frecuencia porque C_dg es pequeño. Es decir, la puerta superior del FET no sufre de la amplificación de Molinero de C_dg.

Si la etapa superior del FET fuera funcionada solamente usando su fuente como nodo de la entrada, tendría buen aumento del voltaje y anchura de banda amplia. Sin embargo, su impedancia baja de la entrada limitaría su utilidad a los conductores muy bajos del voltaje de la impedancia. La adición del FET más bajo da lugar a una alta impedancia de la entrada, permitiendo que la etapa del cascode sea conducida por una alta fuente de la impedancia.

Por otra parte, si el FET superior fue substituido por una carga inductiva/resistente típica, y solamente el transistor de la entrada usado con la salida tomada del dren del transistor de la entrada, de las ofertas de la configuración del cascode la misma impedancia de la entrada, de aumento potencialmente mayor y de anchura de banda mucho mayor.

Estabilidad

El arreglo del cascode es también mismo establo. Su salida se aísla con eficacia de la entrada eléctricamente y físicamente. El transistor más bajo tiene voltaje casi constante en el dren y la fuente y allí no es así esencialmente "nada" retroactuar en su puerta. El transistor superior tiene voltaje casi constante en su puerta y fuente. Así, los únicos nodos con voltaje significativo en ellos son la entrada y la salida, y éstos son separados por la conexión central del voltaje casi constante y por la distancia física de dos transistores. Así hay en la práctica poca regeneración de la salida a la entrada. El blindar del metal es eficaz y fácil proporcionar entre los dos transistores para incluso el mayor aislamiento cuando está requerido. Esto sería difícil en los circuitos del amplificador del uno-transistor, que en los de alta frecuencia requerirían la neutralización.

El predisponer

Como se muestra, el circuito del cascode usando dos "" los FET apilados impone algunas restricciones ante los dos FET -- a saber, el FET superior debe ser predispuesto así que su voltaje de la fuente es arriba bastante (el voltaje más bajo del dren del FET puede hacer pivotar demasiado bajo, haciéndolo dejar la saturación). El seguro de esta condición para los FET requiere la selección cuidadosa para el par, o predisponer especial de la puerta superior del FET, aumentando coste.

El circuito del cascode se puede también construir usando los transistores bipolares, o los MOSFETs, o aún un FET (o MOSFET) y un BJT. En el último caso, el BJT debe ser el transistor superior; si no, el BJT saturará siempre (a menos que las medidas extraordinarias se toman para predisponerlo).

Ventajas

El arreglo del cascode ofrece alto aumento, alta tarifa de ciénaga, alta estabilidad, y alta impedancia de la entrada. La cuenta de las piezas es muy baja para un circuito del dos-transistor.

Desventajas

El circuito del cascode requiere dos transistores y requiere un voltaje de fuente relativamente alta. Para el cascode dos-FET, ambos transistores se deben predisponer con V amplio_DS en funcionamiento, imponiendo un límite más bajo ante el voltaje de fuente.

Versión Dual-gate

A MOSFET dual-gate funciona a menudo como un cascode del "uno-transistor". Campo común en los finales delanteros de sensible VHF se funcionan los receptores, un MOSFET dual-gate como un amplificador de la común-fuente con la puerta primaria (generalmente señalada la "puerta 1" por los fabricantes del MOSFET) conectada con la entrada y la 2da puerta puso a tierra (puenteó). Internamente, hay un canal cubierto por las dos puertas adyacentes; por lo tanto, el circuito que resulta es eléctricamente un cascode integrado por dos FETs, la conexión común de la bajo-drenar-a-superior-fuente simplemente que es esa porción del solo canal que miente físicamente adyacente a la frontera entre las dos puertas.

Otros usos

Con la subida de circuitos integrados, los transistores se han convertido "barato" en términos de área del dado del silicio. En MOSFET la tecnología especialmente, cascoding se puede utilizar adentro espejos actuales para crear relativamente fuentes actuales "constantes" con altas impedancias de la salida.

Una versión modificada del cascode se puede también utilizar como a modulador, particularmente para modulación de amplitud. El dispositivo superior provee la audioseñal, y más bajo es RF dispositivo del amplificador.

Parámetros Two-port

La configuración del cascode se puede representar como amplificador simple del voltaje (o más exactamente como g-parámetro red two-port) usando su impedancia de la entrada, impedancia de la salida, y voltaje aumento. Estos parámetros se relacionan con los g-parámetros correspondientes abajo. Otras características útiles no consideradas aquí son circuito anchura de banda y gama dinámica.

BJT Cascode: parámetros small-signal de baja frecuencia

Idealizado small-signal el circuito equivalente se puede construir para el circuito en el cuadro 2 substituyendo las fuentes actuales por los abrir-circuitos y los condensadores con cortocircuitos, asumiendo ellos es bastante grande actuar como cortocircuitos en las frecuencias del interés. El BJTs se puede representar en el circuito small-signal por modelo híbrido-pi.

	Definición	Expresión
Aumento del voltaje
Resistencia de la entrada		rπ2
Resistencia de salida

MOSFET Cascode: parámetros small-signal de baja frecuencia

Los parámetros small-signal se pueden derivar semejantemente para la versión del MOSFET, también substituyendo el MOSFET por su equivalente modelo híbrido-pi. Esta derivación puede ser simplificada observando que la corriente de la puerta del MOSFET es cero, así que el modelo small-signal para el BJT se convierte en el del MOSFET en el límite de la corriente baja cero:

donde V_T es voltaje termal.

	Definición	Expresión
Aumento del voltaje		− (gm1rO1 + 1)gm2rO2
Resistencia de la entrada
Resistencia de salida

La combinación de factores g_mr_O ocurre a menudo en los fórmulas antedichos, la invitación de la examinación adicional. Para el transistor bipolar este producto está (véase modelo híbrido-pi):

.

En un elemento bipolar discreto típico el voltaje temprano V_A el ≈ 100 V y el voltaje termal cerca de la temperatura ambiente es V_T ≈ 25 milivoltios, haciendo g_mr_O ≈ 4000, un número algo grande. Del artículo encendido modelo híbrido-pi, encontramos para el MOSFET en el modo activo:

En nanómetro 65 nodo de la tecnología, I_D el ≈ 1.2 mA/μ de la anchura, voltaje de fuente es V_DD = 1.1 V; V_th ≈ 165 milivoltios, y V_ov= V_GS- V_th ≈ 5%V_DD ≈ 55 milivoltios. Tomando una longitud típica como dos veces el mínimo, L = 2 L_minuto = 0.130 μm y un valor típico del ≈ 1 (4 V/μm del λ L), encontramos 1/λ el ≈ 2 V, y g_mr_O ≈ 110, aún un valor grande. El punto es que porque g_mr_O casi es grande sin importar la tecnología, el aumento tabulado y la resistencia de salida para el MOSFET y el cascode bipolar es muy grande. Ese hecho tiene implicaciones en la discusión que sigue.

Diseño de baja frecuencia

Los g-parámetros encontrados en los fórmulas antedichos se pueden utilizar para construir un amplificador small-signal del voltaje con la misma resistencia del aumento, de la entrada y de salida que el cascode original ( circuito equivalente). Este circuito se aplica solamente en las frecuencias bajo bastante que no importan las capacitancias parásitas del transistor. La figura demuestra el cascode original (panel superior) y el amplificador equivalente del voltaje o el two-port g-equivalente (el panel inferior). El circuito equivalente permite cálculos más fáciles del comportamiento del circuito para los diversos conductores y cargas. En la figura a Equivalente de Thévenin fuente del voltaje con la resistencia de Thévenin R_S conduce el amplificador, y en la salida un resistor simple de la carga R_Lse une. Usando el circuito equivalente, el voltaje de entrada al amplificador es:

cuál demuestra la importancia de usar un conductor con resistencia R_S << R_en para evitar la atenuación de la señal que entra en el amplificador. De las características antedichas del amplificador, vemos eso R_en es infinito para el cascode del MOSFET, así que ninguna atenuación de la señal de entrada ocurre en ese caso. El cascode de BJT es más restrictivo porque R_en = r_π2.

En una manera similar, la señal de salida del circuito equivalente está

En circuitos de baja frecuencia, un aumento de alto voltaje se desea típicamente, por lo tanto la importancia de usar una carga con resistencia R_L >> R_{hacia fuera} para evitar la atenuación de la señal que alcanza la carga. Los fórmulas para R_{hacia fuera} puede ser utilizado diseñar un amplificador con una resistencia de salida suficientemente pequeña comparada a la carga o, si eso no se puede hacer, para decidir sobre un circuito modificado, por ejemplo, para agregar a seguidor del voltaje eso empareja la carga mejor.

La estimación anterior demostró que la resistencia de salida del cascode es muy grande. La implicación es que muchas resistencias de la carga no satisfarán la condición R_L >> R_{hacia fuera}. (Una excepción importante está conduciendo un MOSFET como carga, que tiene impedancia de baja frecuencia infinita de la entrada.) sin embargo, la falta de satisfacer la condición R_L >> R_{hacia fuera} no es catastrófico porque el aumento del cascode también es muy grande. Si el diseñador está dispuesto, el aumento grande se puede sacrificar para permitir una resistencia baja de la carga; para R_L << R_{hacia fuera} el aumento simplifica como sigue:

Este aumento es igual que ése para el transistor de la entrada que actúa solamente. Así, incluso sacrificando aumento el cascode produce el mismo aumento que el amplificador de la transconductancia del solo-transistor, pero con una anchura de banda más amplia.

Porque los amplificadores son anchura de banda amplia, el mismo acercamiento puede determinar la anchura de banda del circuito cuando una carga condensador se une (con o sin un resistor de la carga). La asunción necesitada es que la capacitancia de la carga sea bastante grande que controla la dependencia de la frecuencia, y la anchura de banda es no controlado por las capacitancias parásitas descuidadas de los transistores ellos mismos.

Diseño de alta frecuencia

En los de alta frecuencia, las capacitancias parásitas de los transistores (puerta-a-drene, puerta-a-fuente, drenar-a cuerpo, y a equivalentes bipolares) se deben incluir en los modelos del híbrido pi para obtener una respuesta de frecuencia exacta. Las metas del diseño también diferencian del énfasis en aumento cabalmente alto como se describe anteriormente para el diseño de baja frecuencia. En circuitos de alta frecuencia, el emparejar de la impedancia se desea típicamente en la entrada y la salida del amplificador eliminar reflexiones de la señal y maximizarlas aumento de la energía. En el cascode, el aislamiento entre la entrada y los puertos de salida todavía es caracterizado por un término reverso pequeño g de la transmisión₁₂, haciéndolo más fácil diseñar redes que emparejan porque el amplificador es aproximadamente unilateral.

Freddy Vallenilla CAF