Fork me on GitHub

NGSPICE.js - каскодный усилитель

Продолжаем осваивать NGSPICE.

Основным недостатком усилительного каскада с общей базой (ОБ) является то что выходное сопротивление на порядок больше входного. Этого недостатка лишена каскодная схема или каскод, которая изображена на рисунке ниже. В такой схеме транзисторы соединены последовательно, при этом входной транзистор включен по схеме с общим эмиттером ОЭ, а другой - по схеме с общей базой ОБ. Каскодная схема обеспечивает примерно такое же усиление по току и напряжению, что и схема с общим эмиттером.

Как известно на характеристиках каскада с общим эмиттером ОЭ негативно сказывается эффект Миллера, при котором из-за сдвига фазы выходного напряжения на 180° по отношению к входному емкость коллектор-база создаёт отрицательную обратную связь по переменному току на высоких частотах. Такая паразитная обратная связь эквивалентна включению на входе усилителя шунтирующей емкости, величина которой пропорциональна коэффициенту усиления по напряжению каскада.

В каскодной схеме коэффициент усиления по напряжению каскада с ОЭ невелик - это обусловлено малым входным сопротивления каскада с общей базой ОБ. Небольшой коэффициент усиления по напряжению каскада с ОЭ значительно ослабляет эффект Миллера. Что касается каскада с ОБ то в нём эффект Миллера отсутствует как таковой. В итоге получаем усиление по току в ОЭ + усиление по напряжению в ОБ но без негативного влияния эффекта Миллера.

В следующих схемах для симуляции использовалась SPICE модель популярного n-p-n транзистора 2N2222:

~$ wget -nc http://www.centralsemi.com/docs/csm/2N2222.LIB

каскодная схема(справа от IN) | netlist | ngspice.js

screenshot

ngspice 1 -> source cascode.net
ngspice 2 -> ac dec 100 1k 50Meg
ngspice 3 -> plot db(out/in) db(x_out/in)
ngspice 4 -> op
ngspice 5 -> print out cp1 cp2 cp3 cp4

Статическое напряжение, фиксируемое командой op в контрольных точках out = 10.96302 | cp1 = 5.215810 | cp2 = 1.202128 | cp3 = 5.903849 | cp4 = 1.890720. Попробуем посчитать:

  • Зная амплитуду входного сигнала 50 мВ найдём максимальный ток базы Q1 Ib(max) ≈ 0.05/10k ≈ 5*10^-6 A. Ток покоя каскада с двойным запасом Ic = Ib(max)*β ≈ 200*5*10^-6 = 1 мА при токе смещения 5 мкА

  • Напряжение на стабилизирующем сопротивлении 10-20% от напряжения питания и тогда его величина Re = 0.1*V1/Ie = 0.1*15/(10^-3) ≈ 1.5 кОм и падение напряжения на нём Ue = I*R = 1.5 В

  • Для каскада Q1 напряжение смещения Ubias = Ue + Ube = 1.5 + 0.7 = 2.2 В. Для того, чтобы транзистор не влиял на выходное напряжение делителя R2 и R3 ток через эти резисторы выбирается в десять раз больше тока базы транзистора Id = 10*Ib = 50 мкА. Тогда R3 = Ubias/Id = 2.2/(5*10^-5) ≈ 43 кОм

  • Будем исходить из напряжения на коллекторе Q2 Uc = V1*2/3 = 10 В тогда Rc = V1/(3*Ic) = 15/(3*10^-3) ≈ 5.1 кОм. Суммарное напряжение на обоих переходах коллектор-эмиттер Q1 и Q2 Us = Uc - Ue = 10 - 1.5 = 8.5 В и если для упрощения расчётов предположить что эти напряжения равны тогда напряжение смещения для каскада Q2 Ubias = (Uc - Us/2) + Ube = (10-8.5/2)+0.7 = 6.45 В. Тогда R1 = (V1-Ubias)/Id = (15-6.45)/(5*10^-5) ≈ 169 кОм и зная разность напряжений Ubias R2 = ΔUbias/Id = (6.45-2.5)/(5*10^-5) ≈ 82 кОм

Для снятия АЧХ амплитуда входного выбрана сигнала Vin 50мВ, на который мы рассчитали ранее схему с ОЭ.

screenshot

Тогда как согласно графику АЧХ у каскодного усилителя коэффициент усиления только начинает заваливаться на частоте 1МГц/30дБ, каскад с ОЭ на этой частоте уже чувствует себя очень плохо < 10 дБ.

screenshot

ngspice 1 -> source cascode.net
ngspice 2 -> alter @vin[sin] [ 0 50m 1meg ]
ngspice 3 -> tran 10n 5u
ngspice 4 -> plot v(out) v(x_out)

Контрольная проверка - даже визуально видно что нижняя полуволна несимметрична по отношению к верхней, т.е. сигнал немного но искажен. Зачастую для высокочастотного тракта это не столь критично, поскольку важна не столько форма сигнала сколько его производная - например амплитуды (амплитудная модуляция) или частоты (частотная модуляция). При расчёте рабочей точки мы исходили из равных напряжений на Q2 и Q1, стоит попробовать отдать Q2 больше напряжения и снова проверить на наличие искажений.

Далее генераторы колебаний на транзисторах.

links

social