Общая база

Рисунок 1. Базовая схема NPN с общей базой (без учета деталей смещения )

В электронике усилитель с общей базой (также известный как с заземленной базой ) представляет собой одну из трех основных топологий усилителя на однокаскадном биполярном переходном транзисторе (BJT), обычно используемом в качестве буфера тока или напряжения усилителя .

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 .

Приложения

Такая схема не очень распространена в низкочастотных дискретных схемах, где она обычно используется для усилителей, которым требуется необычно низкое входное сопротивление , например, для работы в качестве предварительного усилителя с подвижной катушкой для микрофонов . Однако он популярен в интегральных схемах и усилителях высокой частоты, например, для ОВЧ и УВЧ , поскольку его входная емкость не страдает от эффекта Миллера , который ухудшает полосу пропускания конфигурации с общим эмиттером , а также из-за относительной высокая изоляция между входом и выходом. Такая высокая изоляция означает, что обратная связь между выходом и входом невелика, что приводит к высокой стабильности.

Эта конфигурация также полезна в качестве текущего буфера, поскольку ее коэффициент усиления по току равен примерно единице (см. формулы ниже). Часто таким образом используется общая база, которой предшествует каскад с общим эмиттером. Комбинация этих двух форм образует каскодную конфигурацию, которая обладает рядом преимуществ каждой конфигурации, например, высоким входным сопротивлением и изоляцией.

Низкочастотные характеристики

На низких частотах и ​​в условиях слабого сигнала схема на рисунке 1 может быть представлена ​​схемой на рисунке 2, где гибридная пи-модель используется для биполярного транзистора. Входной сигнал представлен источником Тевенена напряжения v _s с последовательным сопротивлением R _s а нагрузка представляет собой резистор RL _. , Эту схему можно использовать для получения следующих характеристик усилителя с общей базой.

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

Примечание. Параллельные линии (||) указывают на параллельное соединение компонентов .

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

Активные нагрузки

Для усиления напряжения диапазон допустимого колебания выходного напряжения в этом усилителе привязан к коэффициенту усиления напряжения при резисторной нагрузки R _C использовании , как показано на рисунке 1. То есть, большой коэффициент усиления напряжения требует большого коэффициента усиления R _C , а это, в свою очередь, подразумевает большое падение напряжения постоянного тока на R _C . Для данного напряжения питания, чем больше это падение, тем меньше V _CB транзистора и тем меньшее колебание выходного сигнала допускается до того, как произойдет насыщение транзистора, что приведет к искажению выходного сигнала. Чтобы избежать такой ситуации, можно использовать активную нагрузку , например, токовое зеркало . Если сделан этот выбор, значение R _C в таблице выше заменяется малосигнальным выходным сопротивлением активной нагрузки, которое обычно не меньше, чем r _O активного транзистора на рисунке 1. с другой стороны, падение напряжения постоянного тока на активной нагрузке имеет фиксированное низкое значение ( напряжение соответствия активной нагрузки), намного меньше, чем падение напряжения постоянного тока, возникающее при сопоставимом усилении с использованием резистора R _C . То есть активная нагрузка накладывает меньше ограничений на размах выходного напряжения. Обратите внимание, что активная нагрузка или нет, большой коэффициент усиления по переменному току по-прежнему связан с большим выходным сопротивлением переменного тока, что приводит к плохому разделению напряжения на выходе, за исключением больших нагрузок. Р _Л ≫ Р _вых .

При использовании в качестве токового буфера R _C не влияет на коэффициент усиления , но влияет на выходное сопротивление. Из-за разделения тока на выходе желательно, чтобы выходное сопротивление буфера было намного больше, чем управляемая нагрузка . _RL , чтобы на нагрузку можно было подавать большие сигнальные токи Если используется резистор R _C , как показано на рисунке 1, большое выходное сопротивление соединяется с большим R _C , что снова ограничивает размах сигнала на выходе. (Несмотря на то, что ток подается на нагрузку, обычно большой сигнал тока в нагрузке подразумевает также большой размах напряжения на нагрузке.) Активная нагрузка обеспечивает высокое выходное сопротивление переменного тока с гораздо менее серьезным влиянием на амплитуду размаха выходного сигнала. .

Обзор характеристик

Несколько примеров приложений подробно описаны ниже. Далее следует краткий обзор.

• Входное сопротивление усилителя R _при взгляде на эмиттерный узел очень низкое и примерно определяется выражением

$R_{\text{in}}=r_{E}={\frac {V_{T}}{I_{E}}},$

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

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

• Поскольку входное сопротивление очень низкое, большинство источников сигнала имеют большее сопротивление, чем усилитель с общей базой R _в . В результате источник подает на вход ток , а не напряжение, даже если это источник напряжения. (По теореме Нортона ток примерно равен i _in = v _S / RS _этот ). Если выходной сигнал также является током, усилитель представляет собой буфер тока и выдает тот же ток, что и входной. Если выходной сигнал принимается в качестве напряжения, усилитель является трансрезистивным усилителем и выдает напряжение, зависящее от импеданса нагрузки, например, v _out = i _in RL _L для резисторной нагрузки R _, значительно меньшей по значению, чем выходное сопротивление усилителя R. _вне . То есть коэффициент усиления напряжения в этом случае (подробнее поясняется ниже) равен

$v_{\text{out}}=i_{\text{in}}R_{L}=v_{s}{\frac {R_{L}}{R_{S}}}\Rightarrow A_{v}={\frac {v_{\text{out}}}{v_{S}}}={\frac {R_{L}}{R_{S}}}.$

Обратите внимание, что для импедансов источника, таких, что S _≫ r E _, выходное сопротивление приближается к R _out = RC _R || [ грамм _м ( р _π || р _S ) р _О ].

• В частном случае источников с очень низким импедансом усилитель с общей базой работает как усилитель напряжения, что является одним из примеров, обсуждаемых ниже. этом случае (подробнее поясняется ниже), когда R _S ≪ r _E и RL _В ≪ R _out , коэффициент усиления по напряжению становится

$A_{v}={\frac {v_{\text{out}}}{v_{S}}}={\frac {R_{L}}{r_{E}}}\approx g_{m}R_{L},$

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 с выхода усилителя на его вход, то есть усилитель является двусторонним . Одним из следствий этого является то, что на входное/выходное сопротивление влияет оконечный импеданс нагрузки/источника, поэтому, например, выходное сопротивление R _out может изменяться в диапазоне r _O || R _C ≤ R _out ≤ (β + 1) r _O || R _C , в зависимости от сопротивления источника R _S . Усилитель можно аппроксимировать как односторонний, если точно пренебречь r _O (справедливо для низких коэффициентов усиления и сопротивления нагрузки от низкого до умеренного), что упрощает анализ. Это приближение часто выполняется в дискретных схемах, но может быть менее точным в радиочастотных схемах и в интегральных схемах, где обычно используются активные нагрузки.

Усилитель напряжения

Рисунок 2: Модель слабого сигнала для расчета различных параметров; Источник напряжения Тевенена в качестве сигнала

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

Выходное сопротивление велико, не менее R _C || r _O , значение, которое возникает при низком импедансе источника ( ≪ _RS r E ₎ . Большое выходное сопротивление нежелательно в усилителе напряжения, так как приводит к плохому делению напряжения на выходе. Тем не менее, прирост по напряжению заметен даже при небольших нагрузках: согласно таблице, при R _S = r _E прирост 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, когда важна нечувствительность к температуре или изменениям транзистора.

Альтернативой использованию модели гибридного пи для этих расчетов является общий метод, основанный на двухпортовых сетях . Например, в таком приложении, где выходным сигналом является напряжение, для простоты можно выбрать двухпортовый преобразователь, эквивалентный g, поскольку в нем используется усилитель напряжения в выходном порту.

Для значений R _S вблизи r _E усилитель является переходным между усилителем напряжения и буфером тока. Для R _S ≫ r _E представление драйвера в виде источника Thévenin должно быть заменено представлением в виде источника Norton . Схема с общей базой перестает вести себя как усилитель напряжения и ведет себя как повторитель тока, как обсуждается далее.

Текущий подписчик

Рисунок 3: Схема с общей базой и драйвером Norton; R _C опускается, поскольку активная нагрузка имеет бесконечное выходное сопротивление при слабом сигнале. предполагается, что

На рисунке 3 показан усилитель с общей базой, используемый в качестве повторителя тока. Сигнал схемы обеспечивается источником переменного тока Нортона (ток I _S , сопротивление Нортона R _S схема имеет резисторную нагрузку R _L ) на входе, а 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 составляет не менее r _O || R _C и может стать (β + 1) r _O || R _C для больших R _S ). Большое выходное сопротивление является желательным атрибутом источника тока, поскольку при благоприятном разделении тока большая часть тока передается в нагрузку. пока RS _{усиления почти равен единице ,} ≫ r _E. Текущий коэффициент

Альтернативный метод анализа основан на двухпортовых сетях . Например, в таком приложении, где выходным сигналом является ток, выбирается двухпортовый преобразователь h-эквивалента, поскольку в выходном порту используется усилитель тока.

См. также

• Общий коллектор
• Общий эмиттер
• Общие ворота
• Общий сток
• Общий источник
• Дифференциальный усилитель
• Гибридно-пи-модель
• Двухпортовая сеть

Внешние ссылки

• ECE 327: Основы транзисторов . Приводится пример схемы с общей базой (т. е. источника тока) с пояснениями.