Amplificadores en Conexión Cascode

Presentación del tema: "Amplificadores en Conexión Cascode"— Transcripción de la presentación:

1 Amplificadores en Conexión Cascode

2 Limitaciones de un solo amplificador
Muchas veces la amplificación deseada no puede ser suplida por una sola etapa de amplificación, o bien los requerimientos en ciertas frecuencias no se logran de manera correcta con sólo una etapa. Al utilizar varias etapas, éstas generalmente difieren unas de otras, ya que cada una de ellas llena un propósito específico.

3 Amplificador de Tres Etapas
Al utilizar varias etapas, estas generalmente difieren unas de otras, ya que cada una de ellas suple un propósito específico. En principio se desea una alta impedancia de entrada y una baja resistencia a la salida, como lo indica la figura 1: En este ejemplo se puede observar una resistencia de entrada muy alta (1 MΩ) con una ganancia de un factor de 10. La segunda etapa disminuye la resistencia de entrada a 100 kΩ, con una ganancia 10 veces mayor, y en la última etapa se disminuye la resistencia de entrada 10 veces, y se mantiene una ganancia unitaria (acople) para conectar la resistencia de carga de 100 Ω (función de buffer).

4 Ancho de Banda del Amplificador
La magnitud de la respuesta del amplificador se mantiene en su máximo constante en un ancho de banda específico (entre ω1 y ω2) y fuera de este rango se presenta una disminución en la ganancia, y por ende una distorsión en la señal de salida con respecto a la señal de entrada La magnitud de la respuesta del amplificador se mantiene en su máximo constante en un ancho de banda específico (entre ω1 y ω2) y fuera de este rango, se presenta una disminución en la ganancia, y por ende una distorsión en la señal de salida con respecto a la señal de entrada

5 Respuesta Típica del Amplificador en Cuanto Magnitud en Función de la Frecuencia
La configuración de base común se utiliza en el manejo de amplificación en altas frecuencias porque la base separa la entrada y la salida, reduciendo al mínimo oscilaciones, con la desventaja de tener una baja impedancia de entrada. Es por ello que la configuración del amplificador cascote permite aumentar la impedancia de entrada.

6 Respuesta en Alta Frecuencia y Efecto de Miller
La respuesta en alta frecuencia de un transistor amplificador discreto está determinado por la capacitancia interna de sí mismo La respuesta en alta frecuencia de un transistor amplificador discreto esta determinado por la capacitancia interna de si mismo

7 Modelo de alta frecuencia para un BJT
Si cualquiera Cgs o Cgd no son aptos a altas frecuencias, entonces el transistor ya no se comporta como un amplificador y por ende la respuesta ya no se da. Los valores de Cgs y Cgd se pueden encontrar o ser calculados desde la hoja de datos. Típicamente Cgd esta en la hoja de especificaciones y Cgs se calcula a partir de fT (la ganancia del ancho de banda) el cual también se encuentra en la hoja de especificaciones, o sino usando la siguiente formula:

8 Amplificador de Emisor Común
Amplificador de Colector Común Amplificador de Base Común

9 Configuración de Amplificación Cascode (cascaded cathode)
La configuración cascode presenta una configuración de de polarización de dos transistores, el primero en configuración de emisor común y el segundo en la configuración de base común, como se muestra en la siguiente figura:

10 Concepto General Combinar la alta impedancia de entrada y la gran transconductancia mediante configuración de emisor común, con la respuesta a altas frecuencias y la propiedad de ser un buffer de corriente de la configuración base común. Con la configuración cascode se puede obtener una ancho de banda mayor (comparado con la configuración E.C.), pero con la misma ganancia en DC, o bien, se puede alterar la ganancia y mantener el ancho de banda. La idea general consiste en combinar la alta impedancia de entrada y la gran transconductancia a través de la configuración de emisor común, con la respuesta a altas frecuencias y la propiedad de ser un buffer de corriente de la configuración base común. Con la configuración cascode se puede obtener una ancho de banda mayor (comparado con la configuración E.C.), pero con la misma ganancia en DC, o bien, se puede alterar la ganancia y mantener el ancho de banda. Al utilizar una conexión base común, con su baja impedancia de entrada, y al tenerla como carga en una etapa de configuración de emisor común, se obtiene una ganancia de voltaje pequeña (cercana a la unitaria) en esta última etapa (EC) por lo que se reduce el efecto Miller, sin embargo se posee una alta impedancia de entrada y una alta ganancia de corriente. La etapa de base común no provee una ganancia de corriente adicional, pero si provee una ganancia de voltaje (tanto como con la configuración de emisor común para la misma carga aplicada), con una impedancia de salida alta. Es por ello que la combinación logrará una ganancia de corriente y voltaje (BC) mediante las dos etapas, con una gran impedancia de salida. Es por ello que la aplicación más común, es como una etapa amplificadora donde el efecto Miller es un problema. Además se utilizan como fuentes de corriente y como cargas no lineales donde la impedancia de salida de un solo transistor no es suficiente. Sin embargo, existe un mayor número de caídas de tensión que en una sola etapa de amplificación, y esto reduce los rangos de voltajes que va a manejar tal configuración en sistemas de bajo consumo de potencia.

11 Configuración Cascode Complementaria
Esta configuración permite que ambos transistores operen en forma simétrica en la máxima disipación de potencia, de modo tal que las distorsiones térmicas tienden a ser ínfimas.

12 Circuito Equivalente de C.D
En la figura 4, se puede observar que en análisis CD, los capacitores CB, CO y CE, se comportan como un circuito abierto, por lo que el transistor Q2, se encontraría en una configuración base común y la resistencia R3 desaparecería, mientras que Q1, se encontraría en la configuración de emisor común. Al despreciar las corrientes de base, se puede asumir:

13 Análisis en CA del Circuito Amplificador en Configuración Cascode
En este análisis, los capacitores de la figura 4 se comportan como corto circuitos, de modo tal que la configuración establecida está mostrada en la siguiente figura:

14 Análisis en Pequeña Señal del Circuito Amplificador en Configuración Cascode

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17 Ejemplo 12.4. (Solución mediante modelo híbrido equivalente para pequeña señal)

18 A partir del análisis C.D. se obtiene:
Con la intención de facilitar el análisis, se desprecia las corrientes de base de cada transistor. Es así como del circuito equivalente anterior se obtiene una expresión válida para IE1, realizando las consideraciones necesarias (IE1 ≈ IC2):

19 Luego partir del análisis C.A. se obtiene el siguiente equivalente:
Así pues, el modelo híbrido equivalente para pequeña señal es el siguiente:

20 A partir del cual el cálculo de Zi y Zo se obtiene directamente, basándose en los resultados de la polarización C.D. calculados anteriormente.

21 Para calcular Av y Ai se utilizan las expresiones que se presentan a continuación:

22 Sin embargo, puesto que no se encuentran presentes RS y RL, las expresiones se reducen a lo siguiente: Donde: De ahí que:

23 Segundo ejemplo, modelo π
Considere un amplificador bipolar cascode polarizado con una corriente de 1mA. Los transistores usados tienen β = 100, = 100 KΩ, = 14 pF, = 2 pF, = 0, y = 50 Ω. El amplificador es alimentado con una fuente que con una = 4 KΩ. La resistencia de carga = 2,4 KΩ. Encuentre la ganancia de baja frecuencia , y estime el valor de la frecuencia para -3 dB.

24 Circuito para ejemplo 2

25 Ecuaciones en el circuito

26 Resultados

27 Resultados

28 Resultados