Kaskode-Schaltung mit Common-Source und Source-Degeneration MOSFET berechnen

Franz schrieb:

Im Anhang habe ich die Ausgangsschaltung angehängt

Das ist aber keine Kaskode (Titel!).

Das ist eine Komplementärkaskode.

Dieter D. schrieb:

Das ist eine Komplementärkaskode.

Und wieder einmal - null Ahnung, kann aber den Griffel trotzdem nicht still halten

Falls jemand mit der Schaltung experimentieren möchte, Anlage ist für: https://www.falstad.com/circuit/

Franz schrieb:

Hätte vielleicht jemand einen Tipp dafür?

Umwandlung von Stromquelle in Spannungsquelle.

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Franz schrieb:

Hätte vielleicht jemand einen Tipp dafür?

Der untere PMOS Transistor ist in Diodenschaltung d.h. du kannst stattdessen einen Widerstand Rs = (1/gm2) || (1/gds2) einsetzen. Es bleibt eine einfache, gegengekoppelte Sourceschaltung übrig.

Wäre der Ausgangswiderstand Ro der Sourceschaltung unendlich hoch, läge die Verstärkung einfach bei Av = - R1 / ((1/gm1) + Rs). Da der Verstärker aber einen endlichen Ausgangswiderstand hat und dieser dann parallel zu Rd wirkt, verringert sich die Gesamtverstärkung etwas.

Eine Kaskode besteht idR aus zwei Bipolartransistoren, deren Eigenschaften kombiniert werden. (Siehe Bild)

Q1 ist ein Leistungstransistor mit geringer Verstärkung (z.B. 10), dafür aber hoher Spannungsfestigkeit und Verlustleistung. Q2 hingegen kann nur wenig Spannung und Verlustleistung vertragen, hat jedoch eine hohe Stromverstärkung (z.B. >100).

Q1 arbeitet als Basisschaltung (Basis auf festem Potential, hier 3,9V) Q2 in Emitterschaltung.

Durch Q1 liegt am Emitter von Q2 ebenfalls eine relativ kostante Spannung von ca. 3,3V. Q2 kann hierdurch mit reiner Stromverstärkung arbeiten. Q2 nimmt nur die Leistung und die Spannung auf. Seine Stromverstärkung ist fast egal.

Für FETs ergeben sich bei so einer Verschaltung gar keine Vorteile, sondern mehr Nachteile. Wird Q1 durch einen FET ersetzt, ist auch die Spannung zwischen den Transistoren nicht mehr stabil. Dies kann sogar dazu führen, dass die Schaltung schwingt. In jedem Fall hat Q2 keine idealen Arbeitsbedingungen mehr.

Q2 kann man durch einen FET ersetzen, aber es ergibt keinen Sinn, denn es gibt FETs, die ohne Eingangsleistung viel Spannung und Verlustleistung vertragen. Da kann man sich Q1 gleich sparen. Und alles andere außer R2 auch.

Im Gegensatz zum FET kann man bei der Kaskode mit sehr geringen AC-Eingangsspannungen arbeiten. Die Kaskode ist dabei recht flink. 200MHz beim FET benötigt schon etwas (Blind-)Strom bei hoher Spannung am Gate.

Gruß Jobst

Jeder Dualgate-Mosfet sind intern zwei Mosfets in Kaskodeschaltung. Das Signal wird an das Gate des unteren Mosfets gelegt, das Gate des oberen Mosfets liegt signalmäßig an Masse. z.B. BF960, 40673, BF981 um ein paar zu nennen.

Dadurch hat der untere Mosfet einen hohen Eingangswiderstand, da er in Source-Schaltung betrieben wird, der obere Mosfet ist dagegen in Gateschaltung betrieben, und hat deswegen einen niedrigen Eingangswiderstand am Sourceanschluss.

Dadurch ändert sich die Signalspannung am Source nur wenig, sondern nur der Strom der in den Source hineinfließt. Am Drain des oberen Mosfets erscheint dann die verstärkte Spannung.

Vorteil dieser Schaltung sind geringe Intermodulationsverzerrungen.

Ralph Berres

Ralph B. schrieb:

Jeder Dualgate-Mosfet sind intern zwei Mosfets in Kaskodeschaltung.

Ja. Aber bei einem Dualgate-FET ist eine Multiplikation erwünscht, bei einer Kaskode aus BJT hat und wünscht man diese Multiplikation ja nicht.

Die Veränderung der Basisspannung von Q1 aus meiner Schaltung hat so zunächst keine Auswirkung auf das Signal. Nur die Verlustleistung von Q2 und der mögliche Spannungshub werden verändert.

Beim FET werden Widerstände verändert, beim BJT Ströme.

Oder anders: Die beiden Varianten (FET/BJT) einer Kaskode haben komplett unterschiedliche Eigenschaften und Einsatzzwecke. FET: Multiplikation (HF-Mischer oder Verstärkungsänderung) BJT: Leistungsstufe

Ralph B. schrieb:

Dadurch ändert sich die Signalspannung am Source nur wenig

Ist der obere FET so steil? (Leider habe ich gerade keine Zeit, sonst würde bei mir nun das gebastel und gemesse los gehen ... :-/ )

Gruß Jobst

Jobst M. schrieb:

Ist der obere FET so steil?

Kalkuliere mal für die Steilheit etwa 2-5 mA/V

Jobst M. schrieb:

Ja. Aber bei einem Dualgate-FET ist eine Multiplikation erwünscht, bei einer Kaskode aus BJT hat und wünscht man diese Multiplikation ja nicht. Die Veränderung der Basisspannung von Q1 aus meiner Schaltung hat so zunächst keine Auswirkung auf das Signal. Nur die Verlustleistung von Q2 und der mögliche Spannungshub werden verändert.

Beziehst du dich auf die Schaltung im Eingangsthread? Das ist aber keine Kaskodeschaltung.

Jobst M. schrieb:

Beim FET werden Widerstände verändert, beim BJT Ströme.

?

In beiden Fällen wird der Strom moduliert Bei BJT wird der Strom durch einen Strom in die Basis gesteuert, beim Mosfet durch die anliegende Spannung zwischen Gate und Source. Der Ausgangswiderstand einer Source oder Emitterschaltung ist zunächst mal hochohmig, somit eine steuerbare Konstantstromquelle.

Jobst M. schrieb:

Oder anders: Die beiden Varianten (FET/BJT) einer Kaskode haben komplett unterschiedliche Eigenschaften und Einsatzzwecke.

nee haben sie nicht, bis auf die Ansteuerung des unteren Transistors.

Jobst M. schrieb:

FET: Multiplikation (HF-Mischer oder Verstärkungsänderung) BJT: Leistungsstufe

Du beziehst dich vermutlich bei dem BJT auf die Schaltung im Eingangsthread, welche aber keine Kaskodeschaltung ist.

Bei einer Kaskodeschaltung wird immer der untere Transistor in Emitterschaltung bzw Sourceschaltung angesteuert, Emitter bzw Source liegen Signalmäßig auf Masse. Der Ausgangswiderstand dieser unteren Stufe ist relativ hochohmig.

Der Kollektor bzw Drain steuert den oberen Transistor am Source bzw Emitteranschluss an, dessen Basis bzw Gate signalmäßig an Masse liegt. Der Eingangswiderstand der oberen Stufe ist somit niederohmig und macht keine Stromverstärkung sondern nur Spannungsverstärkung.

Der Trick ist halt der das der Drain bzw, Kollektor der unteren Stufe nur noch eine sehr geringe Spannungsänderung, dafür eine große Stromänderung hat, und somit kaum Verzerrungen durch Rückwirkungen von Kollektor auf die Basis hat. ( Millerkapazität ).

Man kann die Kaskodeschaltung sowohl mit BJT als auch mit Fets aufbauen. Sogar gemischt funktioniert, wie ich es bei meiner DCF77 Antenne gemacht habe.

Die Kaskodeschaltung ist in den 60ger Jahren entstanden um großsignalfeste Tuner für die Fernseher bauen zu können.

Natürlich kann man durch Änderung des Arbeitspunkes am oberen Transistor dessen Steilheit ändern.

Ralph Berres

Ralph B. schrieb:

Beziehst du dich auf die Schaltung im Eingangsthread? Das ist aber keine Kaskodeschaltung.

Stimmt, das hätte ich vielleicht besser dazu schreiben sollen. Ich habe mit meiner Schaltung die Kaskode erklärt und weiß, dass die Schaltung im Eingangspost keine Kaskode ist. Deshalb beziehe ich mich auf meine Schaltung.

In beiden Fällen wird der Strom moduliert Bei BJT wird der Strom durch einen Strom in die Basis gesteuert, beim Mosfet durch die anliegende Spannung zwischen Gate und Source. Der Ausgangswiderstand einer Source oder Emitterschaltung ist zunächst mal hochohmig, somit eine steuerbare Konstantstromquelle.

Nein, beim FET wird durch die GS-Spannung der Querschnitt und damit der Widerstand des DS-Kanals verändert. (R_DS in Ω !) Verändert man die DS-Spannung, ändert sich auch der Strom, ganz im Gegensatz zum BJT, dessen Strom bei sich ändernder Spannung tatsächlich NICHT bzw. nur wenig ändert.

Jobst M. schrieb:

FET: Multiplikation (HF-Mischer oder Verstärkungsänderung) BJT: Leistungsstufe

Du beziehst dich vermutlich bei dem BJT auf die Schaltung im Eingangsthread, welche aber keine Kaskodeschaltung ist.

Nein, noch immer nicht. Das ist ja keine Kaskodeschaltung. :-|

Der Ausgangswiderstand dieser unteren Stufe ist relativ hochohmig.

Bei einem BJT: ja (Faktor von delta-U zu Faktor von delta-I ist sehr hoch) bei einem FET: nein (Faktor von delta-U zu Faktor von delta-I ist nahe 1)

Der Kollektor [...] ( Millerkapazität ).

Das widerspricht dem was ich geschrieben habe ja nicht, bzw. ergänzt es.

Man kann die Kaskodeschaltung sowohl mit BJT als auch mit Fets aufbauen. Sogar gemischt funktioniert, wie ich es bei meiner DCF77 Antenne gemacht habe.

Die Kaskodeschaltung ist in den 60ger Jahren entstanden um großsignalfeste Tuner für die Fernseher bauen zu können.

Und wurde später auch bei den Farbendstufen für die Bildröhre eingesetzt. Beim Crescendo sitzt eine komplementäre Kaskode als Treiber vor den MOSFETs. In beiden Fällen reine Verstärker, kein mischen, keine AGC.

Natürlich kann man durch Änderung des Arbeitspunkes am oberen Transistor dessen Steilheit ändern.

FET: ja, BJT: nein. Solange der arbeitet, ist die BE-Spannung immer ziemlich konstant. Der Strom wird dann von dem vorgegeben, was am Emitter dran hängt. Sitzt unten ein FET, wird durch die vom oberen BJT vorgegebene Betriebsspannung die Steilheit des FETs verändert. Mehr Spannung = mehr Strom. Widerstand wird vom Gate bestimmt.

Bei zwei BJT: nein. Der untere BJT gibt den Strom vor, der selbe Strom geht auch in den oberen Kollektor rein. Reihenschaltung, überall der selbe Strom. (Einzig der Basisstrom kommt hinzu. Dieser steht aber im festen Verhältnis zum Kollektorstrom.) Egal wie hoch die Spannung an der oberen Basis ist. Es bleibt eine Reihenschaltung. Der Strom am unteren BJT wird von seiner Basis bestimmt. Man schiebt den oberen Transistor mit einer Veränderung seiner Basisspannung bei festen Strömen spannungsmäßig nur auf und ab.

Gruß Jobst

Robert M. schrieb:

Franz schrieb:

Hätte vielleicht jemand einen Tipp dafür?

Der untere PMOS Transistor ist in Diodenschaltung d.h. du kannst stattdessen einen Widerstand Rs = (1/gm2) || (1/gds2) einsetzen. Es bleibt eine einfache, gegengekoppelte Sourceschaltung übrig.

Wäre der Ausgangswiderstand Ro der Sourceschaltung unendlich hoch, läge die Verstärkung einfach bei Av = - R1 / ((1/gm1) + Rs). Da der Verstärker aber einen endlichen Ausgangswiderstand hat und dieser dann parallel zu Rd wirkt, verringert sich die Gesamtverstärkung etwas.

Danke für den Hinweis. Das hat mir wirklich sehr geholfen.

Schönen Sonntag noch