Cascode schakeling

We gaan de spanning mooi over de buizen en de belastingsweerstand verdelen, dus voedingsspanning = 300V, anodespanning van de bovenste buis op 200V, anodespanning van de onderste buis op 100V. Aangezien het rooster van de bovenste buis op 100V moet staan, is onze spanningsdeler snel berekend: R4 = 2.2MΩ, R2 = 1MΩ. Voor R11 nemen we 100kΩ, waardoor de stroominstelling ook vastligt op 1mA.

We nemen opnieuw onze grafiek ter hand. Bij een stoom van 1mA en een anodespanning van 100V moet de roosterspanning ongeveer -0.6V bedragen. Onze cathodeweerstand is ook snel berekend: R14 = 600Ω, R12 de ingangsweerstand is 1MΩ. De naamloze ontkoppelcondensator mag een waarde hebben van 0.22µF.

Hoeveel zou deze constructie versterken? Laten we de ingangsspanning variëren van -0.1 tot -1.1V. De anodespanning kan niet variëren, want die zit vast door de bovenste buis (in theorie...). De stroom kan echter variëren van 1.9mA tot 0.6mA. De tweede buis verandert de stroom niet, waardoor we dezelfde stroom over de anodeweerstand krijgen. Bij 0.6mA hebben we een spanning van 60V over de anodeweerstand (anodespanning is dus 240V) en bij 1.9mA hebben we een spanningsval van 190V, de anodespanning is nu 110V. We hebben dus een spanningsversterking van 130×. Ten gevolge van de niet-ontkoppelde cathodeweerstand is de versterking ongeveer 100×.

Bij een cascodeschakeling gebruikt men best een buis met een hoge steilheid (transconductance), aangezien de eerste triode als stroomversterker gebruikt wordt (de anodespanning wordt vast gehouden). Een buis zoals de ECC81 met zijn stroomversterking van 3.5mA/V is hier ideaal.

Laten we de berekeningen opnieuw doen met een ECC81, maar met een stroom van 5mA om de goede eigenschappen van de buis optimaal te gebruiken (de curves van de buis staan rechts). Met een anodespanning van 100V hebben we een roostervoorspanning nodig van 0.5V. We laten de roosterspanning varieren van 0V tot -1V. De stroom gaat van 8mA naar 3mA. Om een spanning van 100V over de anodeweerstand te hebben moeten we echter de weerstand verlagen tot 22kΩ. Bij 3mA hebben we een anodespanning van 234V en bij 8mA een spanning van 124V, een verschil van 110V. De spanningsversterking is dus ongeveer identiek, maar we hebben een veel lagere uitgangsimpedantie.

Het voordeel van een cascodeschakeling is dat we minder ruis hebben: de stroom hoeft immers niet te kiezen: naar de anode of naar het schermrooster. Een dergelijke schakeling kan bijvoorbeeld gebruikt worden om het microfoonsignaal ruisvrij te versterken.

Er is ook absoluut geen terugwerking van de tweede buis naar de eerste, waardoor dergelijke schakelingen veel gebruikt werden in tuners. De betere televisietoestellen hadden een ingangstrap onder de vorm van een cascodeschakeling. Tuners gebruiken nog steeds een dergelijke constructie, maar nu onder de vorm van een mosfet (die zich als een radiobuis gedraagt), maar dan een mosfet met twee gates (de tweede wordt op een vast potentiaal gehouden).

Zoals bij een pentode is de uitgang meer hoogohmig dan bij een enkelvoudige triode. Een dergelijke schakeling kan soms de neiging hebben om hoogfrekwent te gaan oscilleren: een condensator van 5pF à 47pF tussen de anode (uitgang) en rooster (ingang) onderdrukt volkomen de oscillaties zonder de hoge tonen te verminken (de condensator is in het rood aangegeven).

De cascode schakeling en de pentode worden best gebruikt om de fasedraaier aan te sturen: vanwege zijn niet-ontkoppelde cathodeweerstand is de ingangsimpedantie van een fasedraaier zeer hoog.

Andere schakelingen met twee buizen per trap worden op de volgende pagina besproken: Cathodevolger van White en SRPP.

De cascode schakeling kan ook toegepast worden in een transistorschakeling. De cascodeschakeling wordt dubbel uitgevoerd (symmetrisch) en haalt een versterking van 600× met een onderste transistor BC546B en een triode ECC81 als bovenste actieve component.

Eigenaardigheden en beperkingen van cascodeschakelingen

De ECC83 is minder geschikt in deze schakeling omdat die minder lineair gaat werken als de spanning tussen cathode en anode laag is en/of als de stroom te hoog wordt. Beide buizen hebben dezelfde aansluitingen en je mag testen uitvoeren met de ene of andere buis. Bij een normale schakeling (gemeenschappelijke cathode) zal men vaak de ECC83 gebruiken die een wat hogere versterking geeft, bij een cascode zal men de voorkeur geven aan een ECC81.

Om de maximale sweep te hebben moet de cathode van de bovenste buis op 1/4 van de hoogspanning zitten en de rest van de spanning moet verdeeld worden tussen de bovenste triode en de belastingsweerstand.

De cascode zelf geeft meer vervormingen dan een normale schakeling bij een gelijke uitgangssignaal. In de oorspronkelijke toepassing van de schakeling (hoogfrekwente versterker) speelde deze vervormingen geen rol vanwege de lage signaalamplitudes.

In de praktijk zal men geen cascodeschakeling in een versterker gebruiken vanwege de inherente hogere vervorming, maar een cascode kan goed binnen de lus van de tegenkoppeling gebruikt worden. De tegenkoppeling vermindert de vervormingen van zovel de eindtrap als van de voortrap en de extra versterking van de cascode is graag meegenomen in een versterker met tegenkoppeling.