Amplificateur Cascode : Combinaison Émetteur Commun et Base Commune pour Large Bande Passante et Haute Impédance d'Entrée

Bien que l'amplificateur base commune (B-C) offre une bande passante plus large que l'étage émetteur commun (E-C), son impédance d'entrée — de l'ordre de quelques dizaines d'ohms — limite son utilité. Une solution courante consiste à précéder l'étage B-C par un driver E-C à faible gain qui présente une impédance d'entrée plus élevée, dans la gamme des kilo-ohms.

Les étages sont disposés en configuration cascode, empilés en série plutôt qu'en cascade comme dans une chaîne d'amplification conventionnelle.

Dans un amplificateur émetteur commun typique à trois étages à couplage capacitif, la topologie cascode est employée. Elle offre à la fois une large bande passante et une impédance d'entrée modérément élevée.

Un amplificateur cascode combine un étage émetteur commun avec un étage base commune. En analyse AC, les alimentations et les condensateurs de couplage DC sont modélisés comme des courts-circuits.

Bande Passante, Capacité et Effet Miller

La bande passante étendue du cascode provient de l'effet Miller. Dans un étage E-C, la capacitance collecteur-base (Ccbo) est multipliée par l'amplitude du gain de tension (Av). Bien que Ccbo soit plus petite que la capacitance émetteur-base, le nœud collecteur est déphasé de 180° par rapport à l'entrée base. La rétroaction à travers Ccbo apparaît comme (1 + |Av|) fois la capacitance physique, limitant la réponse en haute fréquence d'un amplificateur E-C autonome.

Le gain de tension approximatif de l'amplificateur E-C dans la figure ci-dessous est Av = –RL/rEE. Avec un courant d'émetteur de 1,0 mA, la résistance d'émetteur est REE = 26 mΩ/IE = 26 Ω. Ainsi, Av = –RL/REE = –4700/26 ≈ –181. La fiche technique du pn2222 indique Ccbo = 8 pF.[FAR] La capacitance de Miller est donc Cmiller = Ccbo(1–Av) = 8 pF × (1–(–181)) ≈ 1456 pF.

Une configuration base commune n'est pas affectée par l'effet Miller car la base mise à la masse isole le collecteur de la rétroaction vers l'entrée émetteur. Par conséquent, un amplificateur B-C présente une performance supérieure en haute fréquence. Pour obtenir une impédance d'entrée modérément élevée tout en conservant les avantages d'un étage E-C, l'étage E-C est polarisé pour un gain de tension faible d'environ 1. Cela réduit la multiplication de Miller à 2 × Ccbo.

La clé pour réduire le gain de l'étage E-C est de diminuer la résistance de charge. Le gain de tension d'un amplificateur E-C est approximativement RC/RE. Avec la résistance d'émetteur interne rEE ≈ 26 Ω à 1 mA, et une charge collecteur RC égale à l'émetteur de l'étage B-C (26 Ω), le gain devient Av = RC/RE ≈ 1. La capacitance de Miller se réduit alors à Cmiller = Ccbo(1–Av) = 8 pF × (1–(–1)) = 16 pF. Nous avons maintenant un étage E-C avec une impédance d'entrée modérée, un effet Miller négligeable et pas de gain de tension significatif. L'étage B-C suivant fournit le gain de tension élevé (Av ≈ –181). Le gain de courant global du cascode équivaut au β de l'étage E-C, offrant un β global robuste.

SPICE : Comparaison amplificateur Cascode versus Émetteur Commun.

Comparaison Amplificateur Cascode vs Émetteur Commun

La simulation SPICE ci-dessous compare un amplificateur cascode avec un amplificateur émetteur commun standard. La source AC V3 pilote les deux étages via le nœud 4. Les résistances de biais sont calculées comme dans l'exemple.

Formes d'onde SPICE. Notez que l'entrée est multipliée par 10 pour la visibilité.

Netlist SPICE pour l'affichage des tensions d'entrée et de sortie AC.

 *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 

Les formes d'onde illustrent le comportement du cascode. Le signal d'entrée est affiché amplifié dix fois pour la clarté. Les sorties cascode et émetteur commun sont toutes deux inversées par rapport à l'entrée, et le cascode atteint un gain en bande moyenne légèrement supérieur. Les courbes de réponse en fréquence ci-dessous montrent la bande passante à –3 dB de chaque amplificateur.

Note : Cette section peut contenir des inexactitudes et nécessite une révision. Veuillez consulter les commentaires en bas de page pour plus de détails.

La figure ci-dessous montre la réponse en fréquence des deux amplificateurs. Les commandes SPICE responsables de l'analyse AC sont extraites de la liste :

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

Le cascode démontre un gain en bande moyenne marginalement meilleur. Pour les points à –3 dB, le cascode atteint environ 5 MHz, tandis que l'étage émetteur commun plafonne près de 2 MHz. Ainsi, le cascode offre une bande passante plus large. Le décrochage en basse fréquence est dominé par les condensateurs de couplage et peut être atténué en utilisant des valeurs plus grandes. Pour les applications RF, un couple de transistors à faible capacitance inter-électrodes est recommandé pour atteindre une bande passante encore plus élevée. Historiquement, les amplificateurs cascode BJT étaient employés dans les tuners TV UHF avant l'avènement des MOSFET à double grille.

Récapitulatif

• Un amplificateur cascode consiste en un étage émetteur commun chargé par l'émetteur d'un étage base commune.
• L'étage E-C fortement chargé a un gain faible (~1), ce qui atténue l'effet Miller.
• Un amplificateur cascode fournit un gain de tension élevé, une impédance d'entrée modérée, une impédance de sortie élevée et une large bande passante.

Fiches d'Exercices Connexes

• Fiche d'exercices Amplificateurs BJT Classe A