แคสโค้ด แอมพลิไฟเออร์ ใช้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของวงจรแอนะล็อก การใช้แคสโค้ดเป็นวิธีการทั่วไปที่สามารถนำไปใช้กับการประยุกต์ใช้งานทรานซิสเตอร์และหลอดสุญญากาศได้ คำว่าแคสโค้ดถูกนำมาใช้ในบทความที่เขียนโดย Roger Wayne Hickman และ Frederick Vinton Hunt ในปี ค.ศ. 1939 โดยมีการกล่าวถึงการประยุกต์ใช้งาน ตัวรักษาเสถียรภาพแรงดันไฟฟ้า ทั้งสองได้เสนอวงจรแคสโค้ดสำหรับไตรโอดสองตัว โดยตัวแรกจัดวงจรในรูปแบบคอมมอนแคโทด และตัวถัดมาจัดวงจรในรูปแบบคอมมอนกริด เพื่อใช้แทนเพนโทด ดังนั้น จึงสามารถสันนิษฐานได้ว่าชื่อนี้เป็นคำย่อของไตรโอดที่ต่อเรียงกัน ซึ่งมีคุณลักษณะคล้ายคลึงกับเพนโทด

แคสโค้ดแอมพลิไฟเออร์คืออะไร?

แคสโค้ดแอมพลิไฟเออร์ประกอบด้วยสองสเตจ ได้แก่ สเตจ CE (คอมมอนอิมิตเตอร์) และสเตจ CB (คอมมอนเบส) โดยสเตจ CE จะป้อนสัญญาณเข้าสู่สเตจ CB เมื่อเปรียบเทียบกับ แอมพลิไฟเออร์ แบบสเตจเดียว การรวมสเตจทั้งสองเข้าด้วยกันทำให้ได้คุณลักษณะที่แตกต่างออกไป เช่น การแยกอินพุต/เอาต์พุตในระดับสูง อิมพีแดนซ์ขาเข้าสูง อิมพีแดนซ์ขาออกสูง และแบนด์วิดท์สูง

ในวงจรปัจจุบัน แอมพลิไฟเออร์ชนิดนี้มักใช้งานโดยใช้ทรานซิสเตอร์สองตัว ได้แก่ BJT หรือ FET โดยทรานซิสเตอร์ตัวหนึ่งทำงานในรูปแบบ CE หรือคอมมอนซอร์ส ขณะที่อีกตัวทำงานในรูปแบบ CB หรือคอมมอนเกต แอมพลิไฟเออร์นี้ช่วยเพิ่มการแยกอินพุต/เอาต์พุต เนื่องจากไม่มีการคัปปลิงโดยตรงจากเอาต์พุตไปยังอินพุต ซึ่งช่วยลดผลของมิลเลอร์ (Miller effect) และทำให้มีแบนด์วิดท์สูง

วงจรแคสโค้ดแอมพลิไฟเออร์

วงจรแคสโค้ดแอมพลิไฟเออร์ที่ใช้ FET แสดงไว้ด้านล่าง สเตจอินพุตของแอมพลิไฟเออร์นี้เป็นวงจร FET แบบคอมมอนซอร์ส และ Vin (แรงดันไฟฟ้าขาเข้า) จะเชื่อมต่อกับขาเกตของ FET สเตจเอาต์พุตของแอมพลิไฟเออร์นี้เป็นวงจร FET แบบคอมมอนเกต ซึ่งขับด้วยสัญญาณจากสเตจอินพุต ความต้านทานเดรนของสเตจเอาต์พุตคือ Rd และสามารถรับ Vout (แรงดันไฟฟ้าขาออก) ได้จากขาเดรนของทรานซิสเตอร์ตัวที่สอง

เนื่องจากขาเกตของทรานซิสเตอร์ Q2 ต่อกราวด์ แรงดันไฟฟ้าที่ขาซอร์สและขาเดรนของทรานซิสเตอร์จึงคงที่เกือบตลอดเวลา ซึ่งหมายความว่าทรานซิสเตอร์ Q2 ตัวบนจะทำให้ทรานซิสเตอร์ Q1 ตัวล่างมีความต้านทานขาเข้าต่ำ ส่งผลให้อัตราขยายของทรานซิสเตอร์ตัวล่างลดลง และผลของมิลเลอร์ก็ลดลงเช่นกัน ดังนั้น แบนด์วิดท์จึงเพิ่มขึ้น

การลดลงของอัตราขยายใน ทรานซิสเตอร์ ตัวล่างไม่ส่งผลต่ออัตราขยายโดยรวม เนื่องจากทรานซิสเตอร์ตัวบนชดเชยอัตราขยายที่ลดลงดังกล่าว ทรานซิสเตอร์ตัวบนจะไม่ได้รับผลกระทบจากมิลเลอร์เอฟเฟกต์ เนื่องจากการชาร์จและการคายประจุของความจุแฝงระหว่างเดรนกับซอร์สสามารถเกิดขึ้นได้ผ่าน ตัวต้านทาน ที่ขาเดรน การตอบสนองทางความถี่และโหลดจะได้รับผลกระทบอย่างชัดเจนเฉพาะที่ความถี่สูงเท่านั้น

ในวงจรนี้ สามารถแยกเอาต์พุตออกจากอินพุตได้ ทรานซิสเตอร์ตัวล่างมีแรงดันไฟฟ้าที่ขาซอร์สและขาเดรนค่อนข้างคงที่ ขณะที่ทรานซิสเตอร์ตัวบนมีแรงดันไฟฟ้าที่ขาทั้งสองข้างเกือบคงที่ โดยพื้นฐานแล้วจะไม่มีฟีดแบ็กจากเอาต์พุตกลับไปยังอินพุต ดังนั้น ขาทั้งสองส่วนจึงถูกแยกออกจากกันได้เป็นอย่างดีด้วยจุดเชื่อมต่อแรงดันไฟฟ้าคงที่ที่อยู่ตรงกลาง

ข้อดีและข้อเสีย

ข้อดีมีดังต่อไปนี้

แอมพลิไฟเออร์นี้ให้แบนด์วิดท์ อัตราขยาย อัตราการเปลี่ยนแปลงแรงดันเอาต์พุต (slew rate) เสถียรภาพ และอิมพีแดนซ์ขาเข้าสูง นอกจากนี้ จำนวนชิ้นส่วนที่ใช้ในวงจรซึ่งมีทรานซิสเตอร์สองตัวยังน้อยมากอีกด้วย

ข้อเสียมีดังต่อไปนี้

แอมพลิไฟเออร์นี้ต้องใช้ ทรานซิสเตอร์ สองตัวร่วมกับแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าสูง สำหรับแคสโค้ดที่ใช้ทรานซิสเตอร์สองตัว ทรานซิสเตอร์ทั้งสองต้องได้รับการไบแอสด้วยแรงดัน VDS ที่เพียงพอในระหว่างการทำงาน ซึ่งทำให้ขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายลดลง

ดังนั้น ทั้งหมดนี้คือทฤษฎีเกี่ยวกับ แคสโค้ดแอมพลิไฟเออร์ แอมพลิไฟเออร์ชนิดนี้มีสองประเภท ได้แก่ โฟลเด็ดแคสโค้ดแอมพลิไฟเออร์ (folded cascode amplifier) และไบมอสแคสโค้ดแอมพลิไฟเออร์ (bimos cascode amplifier)