Усилители мощности с каскодным включением не относятся к популярным в радиолюбительской среде. Несколько публикаций схем на форумах по большей части были проигнорированы и зафлужены бессмысленным обсуждением. Основная проблема этих публикаций - отсутствие вразумительной методики расчета подобных усилителей.

На рис.1 приведена схема усилителя в том виде, в котором она встречается в [5,6]. Он содержит 1й каскад по схеме с ОИ и цепочку каскадов по схеме с ОЗ. Кардинальным отличием от классического каскода является то, что емкости конденсаторов в цепи затвора сравнительно малы - десятки и сотни пф.

При правильном расчете схема функционирует в режиме сложения мощностей от каждого транзистора на нагрузке. Такое включение имеет следующие преимущества
1) нивелирование роли Cgs и Cdg
2) возможность повышения выходной мощности за счет увеличения кол-ва каскадов и повышения напряжения питания, при этом напряжение питания равномерно распределяется между всеми каскадами
3) использование линейки маломощных транзисторов позволяет увеличить выходную мощность, при этом не выходя за пределы рассеиваемой мощности для каждого из транзисторов



Для понимания принципов работы схемы необходимо вспомнить о емкостях Cgs и Cgd, и нарисовать эквивалентную схему рис.2. Эту схему можно представить как цепочку элементарных каскадов с ОИ рис.3.

Очевидно, что часть входного напряжения через емкостный делитель CgsC1 подается на затвор ПТ. Это вызывает повышение входного сопротивления каскада и снижение его Кус. В то же время емкость Cgd эквивалентна включение параллельно C1 отрицательной емкости -Cgd*(Gv-1), что вынуждает увеличивать номинал C1 для ее компенсации.
Эквивалентная схема и основные расчетные формулы приведены на рис.4.



При расчете многокаскадной схемы рис.1 задаются следующими условиями:
1) напряжение питание делится поровну на все каскады
2) сопротивление нагрузки делится поровну на каскады

На последнем пункте остановлюсь более подробно. Предположим что у нас сопротивление нагрузки 50ом и усилитель содержит 1й каскад ОИ и 4 каскада с ОЗ (итого 5 транзисторов). Покаскадный расклад:
* сопротивление нагрузки VT1 = входное сопротивление VT2 = 12.5ом
* сопротивление нагрузки VT2 = входное сопротивление VT3 = 25ом
* сопротивление нагрузки VT3 = входное сопротивление VT4 = 37.5ом
* сопротивление нагрузки VT5 = 50ом

Наладку усилителя с цепями смещения рис.1 имеет смысл вести покаскадно. Для каждого каскада с ОЗ собирается на макетке схема рис.4. Напряжение питания устанавливается равным общему напряжению питания деленному на кол-во каскадов. С помощью резисторов цепи смещения выставляется заданный ток покоя. Потом нагружаем выход на требуемое для данного каскада сопротивление нагрузки Rн и подаем сигнал с ГСС. Замеряем модуль входного сопротивления по любой известной методике (например с помощью дополнительного образцового сопротивления в цепи ГСС). В случае существенного отклонения его от требуемого для этого каскада производим коррекцию емкости в цепи затвора. Ее увеличение уменьшает входное сопротивление, а уменьшение - соответственно увеличивает.
Усилитель собирается из предварительно налаженных блоков. Такой подход автоматически учитывает разброс параметров ПТ (крутизна, Cgs, Cgd).

В дальнейшем будут рассмотрены другие цепи смещения, которые позволяют существенно упростить наладку и запуск усилителей такого типа.

Усилитель может работать в режимах А, В, С в зависимости от выбранного тока покоя. Два таких усилителя могут быть без проблем объединены в двухтактный каскад.
В случае низкого напряжения питания усилитель может быть собран с параллельным питанием рис.5.



Литература:
1. High power high impedance microwave devices for power application, Patent US3137367, 2000
2. Multi-cascode transistor, Patent US6888396, 2005
3. Cascode circuit and integrated circuit having it, Patent US7071786, 2006.
4. Белоконь А.Н. UR5FFR, Активное согласования входного импеданса в усилителях ОЗ, viewtopic.php?f=17&t=115
5. Богданов, Тихомиров, Усилители высокой частоты нового поколения, ИНФОРМОСТ №5 2006.
6. Усилитель RD3ZL, http://www.cqham.ru/forum/showthread.ph ... post507877
7. А.Кабаев UR5ZQV, Транзисторные PA при низком напряжении питания, http://www.cqham.ru/pa14_21.htm
8. А.Н.Дудов UR5ZD, Многоэтажный каскодный линейный усилитель мощности однополосных сигналов, http://www.cqham.ru/pa_ur5zd.htm

Важным отличием рассматриваемой схемы от обычного каскода состоит в том, что в стековом каскоде усиление по напряжению равномерно распределено между всеми транзисторами, в то время как в обычном каскоде усиление в основном выдает самый верхний транзистор.
Это хорошо видно на двух следующих картинка. Рассматривается усилитель из 3х 2N7000, нижний ОИ, два других - ОЗ. Приведены эпюры входного напряжения (зеленый цвет) и напряжений на стоках каждого транзистора (нумерация снизу). Сток T3 - это нагрузка. Эпюры сняты при расчетной нагрузке 50R. Каскод получался из стекового каскода путем шунтирования затворов каскадов с ОЗ на землю емкостями в 0,1u



Видно что в случае каскода усиливает сигнал по напряжению самый верхний транзистор. А так как ток через все транзисторы одинаков, то именно на нем и будет рассеиваться практически вся мощность.



У стекового каскода усиление по напряжению равномерно распределено между всеми транзисторами. Что приводит к распределению рассеиваемой мощности между ними примерно поровну.

Теперь посмотрим что происходит при существенном отклонении сопротивления нагрузки от штатного. В случае низкого сопротивления нагрузки эпюры напряжения практически не отличаются от штатного режима.





Более драматична картина в случае повышенного сопротивления нагрузки





Очевидно, что обычный каскод имеет много шансов "сгореть". Причем умрет самый верхний транзистор - на нем рассеивается вся можность. А вот стековый каскод продолжает примерно равномерно перераспределять мощность на все транзисторы и тепловой пробой наступит при больших сопротивлениях нагрузки.

Рассмотрим простой стековый каскод построенный на двух транзисторах по схеме рис.6.
Входное сопротивление VT2 равно половине сопротивления нагрузки - это определяется Кус этого каскада равного 2. Т.к. сопротивление нагрузки VT1 равно входному сопротивлению VT2 то Кус(VT1)=g*Rн/2. В случае применения мощных ПТ с крутизной порядка единиц А/В, коэф.усиления каскада на VT1 может достигать 30-40дб. Это приводит к двум отрицательным эффектам:
1) Неравномерное распределение рассеиваемой мощности по каскадам
2) Значительное влияние эффекта Миллера, который приводит к тому, что ко входу транзистора приводится емкость равная Cgd*(Кус-1). При высоких проходных емкостях ко входу может приводиться емкость порядка нескольких тысяч пф, что вызывает необходимость существенно снижать входное сопротивление для выравнивания АЧХ.



Решить эту проблему можно понизив усиление каскада на VT1 введением ООС. На рис.7 изображена модифицированная схема. Из практических соображение рекомендуется выбирать Кус(VT1) ~=3..4. Большие значения приводят к значительной перегрузке VT1 по рассеиваемой мощности.

Рассмотрим стековый каскод из N транзисторов работающий на нагрузку Rн. Сопротивление нагрузки VT1 составит Rн/N. Положим что Кус(VT1)=3. Тогда Rs = Rн/(N*Кус(VT1)) - 1/g(VT1) ~= Rн/(3*N).
Общий Кус усилителя по напряжению составит Кус = Кус(VT1) * N = 3*N.

Мощные ПТ имеют значительный разброс как крутизны, так и порогового напряжения. Схема рис.8 позволяет задать ток покоя усилителя всего одним переменным резистором независимо от разброса параметров примененных ПТ. Резисторы R в делителе имеют одинаковый номинал, который должен быть больше импеданса конденсатора в цепи затвора в диапазоне рабочих частот. Меньшие значения сопротивления делителя приведет к завалу АЧХ в области верхних частот. Типовое значение 1-5ком.

Пороговое напряжение мощных ПТ находится в пределах 2-4в. Используя тот факт, что падение напряжения на светодиоде составляет порядка 2в регулировку тока покоя можно реализовать по схеме рис.9. Или используя внешний источник тока рис.10.

Rin определяет входное сопротивление усилительного каскада и должны выбираться из условия
Rin < 1/(2*pi*Fmax*Cin)
где Fmax - максимальная рабочая частота (спад АЧХ на 3дб)
Cin - приведенная ко входу ПТ емкость равная Cgs+Cgd*(G(VT1)-1) где G(VT1) - коэфф.усиления каскада по напряжению.



Т.к. при изменении температуры корпуса наблюдается некоторое изменение ВАХ, то можно применить схему термокомпенсации тока покоя на рис.11. На общем радиаторе устанавливается транзистор VTbias такого же типа как и другие транзисторы. В точку соединения затвора и стока VTbias подается стабильный ток, равный току покоя усилителя. В результате на затворе VT1 формируется напряжение смещения зависящее от температуры.
На рис.12 приведена схема с повышенным коэфф.стабилизации [2].

Для работы этих схем необходим источник стабильного тока, который можно выполнить по различным типовым схемам. В случае схемы рис.12 его можно заменить обычным резистором. В случае схемы рис.10 - применить более сложные источники тока на транзисторах.



1. Gate biasing arrangement to temperature compensate quiscent current of a power transistor, US Patent 6288596, 2001
2. Белоконь А.Н. UR5FFR, Источник опорного напряжения на MOSFET, viewtopic.php?f=20&t=119
3. Radio frequiency power amplifier adaptive bias control circuit, US Patent 6819180, 2004

Анализируя формулы рис.4, описывающие работу одного каскада ОЗ, становится понятным, что в реальном усилителе изменение Rн распространяется по цепочке каскадов. Происходит это ввиду неидеальности транзисторов и наличия у них проходной емкости Cgd. С другой стороны зависимость Zin он Rн у такого каскада достаточно нелинейная и носит квадратичный характер, что приводит к некоторым перекосам при изменении Rн.
Другими отрицательным моментом использования емкостных делителей является сравнительно небольшие емкости в цепи затвора и сильная нелинейная зависимость собственных емкостей ПТ от напряжения.



Размышления над этими проблемами привело меня к использованию каскадов ОЗ с ООС сток-затвор рис.13. Важная особенность такого каскада - практически линейная зависимость входного импеданса от сопротивления нагрузки Zin=Rн/Gv. На рис.14 приведена практическая схема такого каскада с формулами расчета.



На рис.15 приведена схема стекового каскода с применением таких каскадов. Расчет его похож на расчет стека с емкостными делителями. Вначале мы задаемся Rн и рассчитываем входные/выходные импедансы каждого каскада. Далее по формулам рассчитываем резистивные делители и корректирующие конденсаторы в цепи затвора.

Моделирование этого типа усилителей показали его лучшее поведение при отличии сопротивления нагрузки от расчетной. Схема гораздо точнее распределяет рассеиваемую мощность на все транзисторы.

Схема обладает новизной и не встречалась мне ранее в литературе и патентах имеющих отношение к стековым каскодам.