Общая база - Common base

Рисунок 1: Базовая схема общей базы NPN (без учета деталей смещения )

В электронике усилитель с общей базой (также известный как усилитель с заземленной базой ) является одной из трех основных топологий усилителя с одноступенчатым биполярным переходным транзистором (BJT), обычно используемых в качестве буфера тока или усилителя напряжения .

В этой схеме вывод эмиттера транзистора служит входом, коллектор - выходом, а база соединена с землей или «общим», отсюда и его название. Аналогичная схема на полевом транзисторе представляет собой усилитель с общим затвором .

Упрощенная операция

Поскольку ток идет от эмиттера, это создает разность потенциалов, заставляя транзистор проводить. Ток, проводимый через коллектор, пропорционален напряжению на переходе база-эмиттер с учетом смещения, как и в других конфигурациях.

Следовательно, если на эмиттер не поступает ток, транзистор не проводит.

Приложения

Такое расположение не очень распространено в низкочастотных дискретных схемах, где оно обычно используется для усилителей, которым требуется необычно низкий входной импеданс , например, чтобы действовать как предусилитель для микрофонов с подвижной катушкой . Однако он популярен в интегральных схемах и высокочастотных усилителях, например, для УКВ и УВЧ , поскольку его входная емкость не страдает от эффекта Миллера , который ухудшает полосу пропускания конфигурации с общим эмиттером , и из-за относительно высокая изоляция между входом и выходом. Такая высокая изоляция означает, что обратная связь между выходом и входом незначительна, что обеспечивает высокую стабильность.

Эта конфигурация также полезна в качестве текущего буфера, так как она имеет коэффициент усиления по току приблизительно равный единице (см. Формулы ниже). Часто таким образом используется общая база, которой предшествует каскад с общим эмиттером. Комбинация этих двух параметров формирует конфигурацию каскода , которая обладает некоторыми преимуществами каждой конфигурации, такими как высокий входной импеданс и изоляция.

Низкочастотные характеристики

На низких частотах и в условиях слабого сигнала схема на Рисунке 1 может быть представлена схемой на Рисунке 2, где была использована модель гибридного Пи для BJT. Входной сигнал представлен Thevenin источника напряжения V _ев с последовательным сопротивлением R _s и нагрузка представляет собой резистор R _L . Эта схема может использоваться для получения следующих характеристик усилителя с общей базой.

	Определение	Выражение	Примерное выражение	Условия
Коэффициент усиления напряжения холостого хода	${\ displaystyle {A_ {v}} = \ left. {\ frac {v _ {\ text {o}}} {v _ {\ text {i}}}} \ right \| _ {R_ {L} = \ infty} }$	${\ displaystyle {\ frac {(g_ {m} r _ {\ text {o}} + 1) R_ {C}} {R_ {C} + r_ {o}}}}$	${\ displaystyle g_ {m} R_ {C}}$	${\ displaystyle r_ {o} \ gg R_ {C}}$
Коэффициент усиления тока короткого замыкания	${\ displaystyle A_ {i} = \ left. {i _ {\ text {o}} \ over i _ {\ text {i}}} \ right \| _ {R_ {L} = 0}}$	${\ displaystyle {\ frac {r _ {\ pi} + \ beta r_ {o}} {r _ {\ pi} + (\ beta +1) r_ {o}}}}$	${\ displaystyle 1}$	${\ displaystyle \ beta \ gg 1}$
Входное сопротивление	${\ displaystyle R _ {\ text {in}} = {\ frac {v_ {i}} {i_ {i}}}}$	${\ displaystyle {\ frac {(r_ {o} + R_ {C} \ \| R_ {L}) r_ {E}} {r_ {o} + r_ {E} + {\ frac {R_ {C} \ \| R_ {L}} {\ beta +1}}}}}$	${\ displaystyle r_ {e} \ left (\ приблизительно {\ frac {1} {g_ {m}}} \ right)}$	${\ displaystyle r_ {o} \ gg R_ {C} \ \| R_ {L} \ \ left (\ beta \ gg 1 \ right)}$
Выходное сопротивление	${\ displaystyle R _ {\ text {out}} = \ left. {\ frac {v_ {o}} {- i_ {o}}} \ right \| _ {v_ {s} = 0}}$	${\ Displaystyle R_ {C} \ \| \ left ([1 + g_ {m} (r _ {\ pi} \ \| R_ {S})] r_ {o} + r _ {\ pi} \ \| R_ {S} \ право)}$	${\ displaystyle {\ begin {align} & R_ {C} \|\| r_ {o} \\ & R_ {C} \|\| \ left (r_ {o} \ left [1 + g_ {m} \ left (r _ {\ pi } \|\| R_ {S} \ right) \ right] \ right) \ end {align}}}$	${\ displaystyle {\ begin {align} R_ {S} & \ ll r_ {E} \\ R_ {S} & \ gg r_ {E} \ end {выравнивается}}}$

Примечание. Параллельные линии (||) обозначают параллельные компоненты .

В общем, общий коэффициент усиления по напряжению / току может быть существенно меньше, чем коэффициенты усиления при разомкнутом / коротком замыкании, перечисленные выше (в зависимости от сопротивления источника и нагрузки) из-за эффекта нагрузки .

Активные нагрузки

Для усиления напряжения диапазон допустимого размаха выходного напряжения в этом усилителе привязан к усилению напряжения при использовании резисторной нагрузки R _C , как показано на рисунке 1. То есть, для большого усиления напряжения требуется большое R _C , а это, в свою очередь, подразумевает большое падение напряжения постоянного тока через R _C . Для данного напряжения питания, чем больше это падение, тем меньше V _CB транзистора и тем меньше допустимый размах выходного сигнала до того, как произойдет насыщение транзистора, что приведет к искажению выходного сигнала. Чтобы избежать этой ситуации, можно использовать активную нагрузку , например, токовое зеркало . Если этот выбор сделан, значение R _C в приведенной выше таблице заменяется малосигнальным выходным сопротивлением активной нагрузки, которое, как правило, не меньше, чем r _O активного транзистора на рисунке 1. На схеме с другой стороны, падение напряжения постоянного тока через активную нагрузку имеет фиксированное низкое значение ( напряжения соответствия активной нагрузки), что гораздо меньше , чем падение напряжения постоянного тока , понесенные для усиления сравнимой с помощью резистора R _C . То есть активная нагрузка налагает меньше ограничений на размах выходного напряжения. Обратите внимание, что активная нагрузка или нет, но большое усиление по переменному току связано с большим выходным сопротивлением переменного тока, что приводит к плохому разделению напряжения на выходе, за исключением больших нагрузок R _L ≫ R _out .

При использовании в качестве токового буфера R _C не влияет на усиление, но влияет на выходное сопротивление. Из-за деления тока на выходе желательно, чтобы выходное сопротивление для буфера было намного больше, чем управляемая нагрузка R _L , чтобы на нагрузку могли подаваться большие токи сигнала. Если используется резистор R _C , как на рис. 1, большое выходное сопротивление связано с большим R _C , что снова ограничивает размах сигнала на выходе. (Даже если ток подается на нагрузку, обычно большой сигнал тока в нагрузке также подразумевает большой перепад напряжения на нагрузке.) Активная нагрузка обеспечивает высокое выходное сопротивление переменного тока с гораздо менее серьезным влиянием на амплитуду колебаний выходного сигнала. .

Обзор характеристик

Несколько примеров приложений подробно описаны ниже. Ниже приводится краткий обзор.

Входное сопротивление усилителя R _при взгляде на эмиттерный узел очень низкое, примерно равное

{\ displaystyle R _ {\ text {in}} = r_ {E} = {\ frac {V_ {T}} {I_ {E}}},}

где V _T - тепловое напряжение , I _E - постоянный ток эмиттера.

Например, для V _T = 26 мВ и I _E = 10 мА, довольно типичные значения, R _in = 2,6 Ом. Если I _E уменьшается для увеличения R _in , есть другие последствия, такие как более низкая крутизна, более высокое выходное сопротивление и более низкое β, которые также необходимо учитывать. Практическое решение этой проблемы с низким входным импедансом состоит в том, чтобы разместить на входе каскад с общим эмиттером для формирования каскодного усилителя.

Поскольку входной импеданс настолько низок, большинство источников сигнала имеют большее сопротивление, чем усилитель с общей базой R _in . Следствием этого является то, что источник подает на вход ток, а не напряжение, даже если это источник напряжения. (Согласно теореме Нортона этот ток приблизительно равен i _in = v _S / R _S ). Если выходной сигнал также является током, усилитель является токовым буфером и выдает тот же ток, что и входной. Если выходной сигнал принимается за напряжение, усилитель является усилителем сопротивления и выдает напряжение, зависящее от импеданса нагрузки, например, v _out = i _in R _L для резистивной нагрузки R _{L, которая} намного меньше, чем выходное сопротивление усилителя R _из . То есть коэффициент усиления по напряжению в этом случае (более подробно объясненный ниже) равен

{\ displaystyle v _ {\ text {out}} = i _ {\ text {in}} R_ {L} = v_ {s} {\ frac {R_ {L}} {R_ {S}}} \ Rightarrow A_ {v } = {\ frac {v _ {\ text {out}}} {v_ {S}}} = {\ frac {R_ {L}} {R_ {S}}}.}

Обратите внимание, что для таких импедансов источников, что R _S ≫ r _E, выходное сопротивление приближается к R _out = R _C || [ г _м ( г _π || R _S ) r _O ].

В частном случае источников с очень низким импедансом усилитель с общей базой работает как усилитель напряжения - один из примеров, обсуждаемых ниже. В этом случае (более подробно поясняется ниже), когда R _S ≪ r _E и R _L ≪ R _out , коэффициент усиления по напряжению становится

{\ displaystyle A_ {v} = {\ frac {v _ {\ text {out}}} {v_ {S}}} = {\ frac {R_ {L}} {r_ {E}}} \ приблизительно g_ {m } R_ {L},}

где g _m = I _C / V _T - крутизна. Обратите внимание, что для низкого импеданса источника R _out = r _O || Р _С .

Включение r _O в модель гибридного пи предсказывает обратную передачу от выхода усилителя к его входу, то есть усилитель является двусторонним . Одним из следствий этого является то, что входное / выходное сопротивление зависит от оконечного сопротивления нагрузки / источника, поэтому, например, выходное сопротивление R _out может изменяться в диапазоне r _O || R _C ≤ R _out ≤ (β + 1) r _O || Р _С , в зависимости от сопротивления источника R _S . Усилитель можно назвать односторонним, если пренебречь r _O точно (справедливо для низких коэффициентов усиления и от низкого до среднего сопротивления нагрузки), что упрощает анализ. Это приближение часто делается в дискретных схемах, но может быть менее точным в ВЧ схемах и в схемах интегральных схем, где обычно используются активные нагрузки.

Усилитель напряжения

Рисунок 2: Модель слабого сигнала для расчета различных параметров; Источник напряжения Тевенина как сигнал

Для случая, когда схема с общей базой используется в качестве усилителя напряжения, схема показана на рисунке 2.

Выходное сопротивление большое, не менее R _C || r _O , значение, которое возникает при низком импедансе источника ( R _S ≪ r _E ). Большое выходное сопротивление в усилителе напряжения нежелательно, так как приводит к плохому делению напряжения на выходе. Тем не менее, выигрыш по напряжению заметен даже для небольших нагрузок: согласно таблице при R _S = r _E усиление составляет A _v = g _m R _L / 2 . Для больших импедансов источника коэффициент усиления определяется соотношением резисторов R _L / R _S , а не свойствами транзистора, что может быть преимуществом там, где важна нечувствительность к температуре или колебаниям транзистора.

Альтернативой использованию модели гибридного пи для этих вычислений является общий метод, основанный на двухпортовых сетях . Например, в приложении, подобном этому, где выходным напряжением является напряжение, для простоты можно выбрать двухпортовый эквивалент g, поскольку в нем используется усилитель напряжения в выходном порте.

Для значений R _S вблизи r _E усилитель является переходным между усилителем напряжения и токовым буфером. Для R _S >> r _E представление драйвера как источника Thévenin следует заменить представлением с источником Norton . Схема с общей базой перестает вести себя как усилитель напряжения и ведет себя как повторитель тока, как обсуждается далее.

Текущий последователь

Рисунок 3: Общая базовая схема с драйвером Norton; R _C опускается, поскольку предполагается активная нагрузка с бесконечным выходным сопротивлением слабого сигнала.

На рисунке 3 показан усилитель с общей базой, используемый в качестве повторителя тока. Сигнал схемы обеспечивается источником переменного тока Norton (ток I _S , сопротивление Norton R _S ) на входе, а схема имеет резисторную нагрузку R _L на выходе.

Как упоминалось ранее, этот усилитель является двусторонним из-за выходного сопротивления r _O , которое соединяет выход со входом. В этом случае выходное сопротивление велико даже в худшем случае (оно не меньше r _O || R _C и может стать (β + 1) r _O || R _C для большого R _S ). Большое выходное сопротивление является желательным атрибутом источника тока, поскольку при благоприятном разделении тока большая часть тока направляется на нагрузку. Усиление тока очень близко к единице, пока R _S > R _E .

Альтернативный метод анализа основан на двухпортовых сетях . Например, в приложении, подобном этому, где ток является выходом, выбирается двухпортовый эквивалент h, потому что он использует усилитель тока в выходном порте.

Смотрите также

Ссылки

внешние ссылки

Основные BJT усилитель Конфигурация (заархивированная с оригинала на 9 сентября, 2007)
Усилитель с общей базой NPN - Гиперфизика
ECE 327: Основы транзисторов - Дает пример общей базовой схемы (т. Е. Источника тока) с пояснениями.

Languages

In other projects