カスコード増幅器：エミッタ共通とベース共通の組み合わせで広帯域と高入力インピーダンスを実現

概要

ベース共通（C-B）増幅器はエミッタ共通（C-E）段より広い帯域幅を提供しますが、その入力インピーダンス（数十Ω）が用途を制限します。一般的な解決策は、キロオーム範囲の高い入力インピーダンスを呈する低利得のC-Eドライバ段をC-B段の前に配置することです。

これらの段は従来の増幅器チェーンのようにカスケード接続するのではなく、カスコード構成で直列に積み重ねられます。

典型的なコンデンサ結合3段エミッタ共通増幅器では、カスコードトポロジーが採用されます。これにより広帯域と適度に高い入力インピーダンスの両方を実現できます。

カスコード増幅器はエミッタ共通段とベース共通段を組み合わせます。AC解析では、電源とDC結合コンデンサは短絡としてモデル化されます。

帯域幅、容量、ミラー効果

カスコードの拡張帯域幅はミラー効果に起因します。C-E段ではコレクタ-ベース容量（Ccbo）が電圧利得（|Av|）の大きさで乗算されます。Ccboはエミッタ-ベース容量より小さいものの、コレクタノードはベース入力と180°位相が反転しています。Ccboを介したフィードバックは物理容量の（1+|Av|）倍として現れ、単体C-E増幅器の高周波応答を制限します。

以下の図のC-E増幅器の概算電圧利得はAv = –RL/rEEです。エミッタ電流1.0 mAでエミッタ抵抗はREE = 26 mΩ/IE = 26 Ωとなります。したがって、Av = –RL/REE = –4700/26 ≈ –181。pn2222のデータシートではCcbo = 8 pFとされています。ミラー容量はCmiller = Ccbo(1–Av) = 8 pF × (1–(–181)) ≈ 1456 pFとなります。

ベース共通構成は接地ベースがコレクタからエミッタ入力へのフィードバックを遮断するため、ミラー効果の影響を受けません。したがって、C-B増幅器は優れた高周波性能を示します。C-E段の利点を保ちつつ適度に高い入力インピーダンスを得るには、C-E段を電圧利得約1でバイアスします。これによりミラー乗算が2×Ccboに抑制されます。

C-E利得を下げる鍵は負荷抵抗を下げることです。C-E増幅器の電圧利得は概ねRC/REです。内部エミッタ抵抗rEE≈26 Ω（1 mA時）で、コレクタ負荷RCをC-B段のエミッタ（26 Ω）と等しくすると、利得はAv = RC/RE ≈ 1になります。ミラー容量はCmiller = Ccbo(1–Av) = 8 pF × (1–(–1)) = 16 pFに減少します。これで適度な入力インピーダンス、無視できるミラー効果、無視できる電圧利得を持つC-E段が得られます。続くC-B段が高電圧利得（Av≈–181）を提供します。カスコード全体の電流利得はC-E段のβに等しく、堅牢な全体βを与えます。

SPICE: カスコード対エミッタ共通増幅器の比較。

カスコード vs エミッタ共通増幅器の比較

以下のSPICEシミュレーションはカスコード増幅器と標準的なエミッタ共通増幅器を比較しています。AC電源V3がノード4を介して両段を駆動します。バイアス抵抗は例題と同様に計算されています。

SPICE波形。入力は可視性のため10倍に拡大表示されています。

AC入出力電圧を出力するSPICEネットリスト。

 *SPICE circuit <03502.eps> from XCircuit v3.20 V1 19 0 10 Q1 13 15 0 q2n2222 R1 19 13 4.7k V2 16 0 1.5 C1 4 15 10n R2 15 16 80k Q3 A 5 0 q2n2222 V3 4 6 SIN(0 0.1 1k) ac 1 R3 1 2 80k R4 3 9 4.7k C2 2 0 10n C3 4 5 10n R5 5 6 80k V4 1 0 11.5 V5 9 0 20 V6 6 0 1.5 .model q2n2222 npn (is=19f bf=150 + vaf=100 ikf=0.18 ise=50p ne=2.5 br=7.5 + var=6.4 ikr=12m isc=8.7p nc=1.2 rb=50 + re=0.4 rc=0.3 cje=26p tf=0.5n + cjc=11p tr=7n xtb=1.5 kf=0.032f af=1) .tran 1u 5m .AC DEC 10 1k 100Meg .end 

波形はカスコードの挙動を示しています。入力信号は明確化のため10倍に拡大されています。カスコードとエミッタ共通の両出力は入力に対して反転しており、カスコードはわずかに高い中帯域利得を達成しています。以下の周波数応答プロットは各増幅器の–3 dB帯域幅を示しています。

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以下の図は両増幅器の周波数応答を示しています。AC解析を担当するSPICEコマンドはネットリストから抽出されています：

 V3 4 6 SIN(0 0.1 1k) ac 1 .AC DEC 10 1k 100Meg 

カスコードはわずかに優れた中帯域利得を示します。–3 dBポイントでは、カスコードが約5 MHzに達するのに対し、エミッタ共通段は約2 MHzで頭打ちになります。したがって、カスコードはより広い帯域幅を提供します。低周波側のロールオフは結合コンデンサが支配し、より大きな値を使用することで緩和できます。RF用途では、極間容量の低いトランジスタペアを使用することでさらに高い帯域幅が得られます。歴史的に、BJTカスコード増幅器はデュアルゲートMOSFETの登場までUHF TVチューナーで使用されていました。

まとめ

• カスコード増幅器は、ベース共通段のエミッタによって負荷されるエミッタ共通段で構成される。
• 強く負荷されたC-E段は低利得（~1）であり、ミラー効果を緩和する。
• カスコード増幅器は高電圧利得、適度な入力インピーダンス、高出力インピーダンス、広帯域幅を提供する。

関連ワークシート

• クラスA BJT増幅器ワークシート