L’amplificatore a base comune è un altro tipo di configurazione di transistor a giunzione bipolare (BJT) in cui il terminale di base del transistor è un terminale comune a entrambi i segnali di ingresso e di uscita, da cui il nome base comune (CB). La configurazione a base comune è meno comune come amplificatore rispetto alle più popolari configurazioni a emettitore comune (CE) o a collettore comune (CC), ma è ancora usata per le sue caratteristiche uniche di ingresso/uscita.
Perché la configurazione a base comune funzioni come amplificatore, il segnale di ingresso è applicato al terminale di emettitore e l’uscita è presa dal terminale del collettore. Così la corrente di emettitore è anche la corrente di ingresso, e la corrente di collettore è anche la corrente di uscita, ma poiché il transistor è un dispositivo a tre strati, due pn-giunzioni, deve essere correttamente polarizzato per funzionare come un amplificatore a base comune. Cioè la giunzione base-emettitore è forward-biased.
Considerate la configurazione di base dell’amplificatore a base comune qui sotto.
Amplificatore a base comune usando un transistor NPN
Allora possiamo vedere dalla configurazione base comune che le variabili di ingresso sono relative alla corrente di emettitore IE e alla tensione base-emettitore, VBE, mentre le variabili di uscita sono relative alla corrente collettore IC e alla tensione collettore-base, VCB.
Siccome la corrente di emettitore, IE è anche la corrente di ingresso, qualsiasi cambiamento nella corrente di ingresso creerà un cambiamento corrispondente nella corrente di collettore, IC. Per una configurazione di amplificatore a base comune, il guadagno di corrente, Ai è dato da iOUT/iIN che è determinato dalla formula IC/IE. Il guadagno di corrente per una configurazione CB si chiama Alpha, ( α ).
In un amplificatore BJT la corrente di emettitore è sempre maggiore della corrente di collettore come IE = IB + IC, il guadagno di corrente (α) dell’amplificatore deve quindi essere minore di uno (unità) poiché IC è sempre minore di IE del valore di IB. Così l’amplificatore CB attenua la corrente, con valori tipici di alfa che vanno da 0,980 a 0,995.
La relazione elettrica tra le tre correnti di transistor può essere mostrata per dare le espressioni per alfa, α e Beta, β come mostrato.
Common Base Amplifier Current Gain
Quindi se il valore Beta di un transistor a giunzione bipolare standard è 100, allora il valore di Alpha sarebbe dato come: 100/101 = 0,99.
Grado di tensione dell’amplificatore a base comune
Siccome l’amplificatore a base comune non può funzionare come un amplificatore di corrente (Ai ≅ 1), deve quindi avere la capacità di funzionare come un amplificatore di tensione. Il guadagno di tensione per l’amplificatore a base comune è il rapporto VOUT/VIN, cioè la tensione di collettore VC alla tensione di emettitore VE. In altre parole, VOUT = VC e VIN = VE.
Poiché la tensione di uscita VOUT è sviluppata attraverso la resistenza di collettore, RC, la tensione di uscita deve quindi essere una funzione di IC come dalla legge di Ohm, VRC = IC*RC. Quindi ogni cambiamento di IE avrà un corrispondente cambiamento di IC.
Poi possiamo dire per una configurazione di amplificatore a base comune che:
Come IC/IE è alfa, possiamo presentare il guadagno di tensione degli amplificatori come:
Quindi il guadagno di tensione è più o meno uguale al rapporto tra la resistenza del collettore e quella dell’emettitore. Tuttavia, c’è una singola giunzione pn-diodo all’interno di un transistor a giunzione bipolare tra la base e i terminali di emettitore dando origine a quella che viene chiamata la resistenza dinamica di emettitore del transistor, r’e.
Per i segnali di ingresso AC la giunzione del diodo emettitore ha una resistenza effettiva a piccolo segnale data da: r’e = 25mV/IE, dove 25mV è la tensione termica della giunzione pn e IE è la corrente di emettitore. Quindi, man mano che la corrente che scorre attraverso l’emettitore aumenta, la resistenza di emettitore diminuirà di una quantità proporzionale.
Una parte della corrente di ingresso scorre attraverso questa resistenza interna della giunzione base-emettitore alla base, nonché attraverso la resistenza di emettitore collegata esternamente, RE. Per l’analisi dei piccoli segnali, queste due resistenze sono collegate in parallelo l’una con l’altra.
Siccome il valore di r’e è molto piccolo, e RE è generalmente molto più grande, di solito nella gamma di kilohms (kΩ), la grandezza del guadagno di tensione degli amplificatori cambia dinamicamente con diversi livelli di corrente di emettitore.
Quindi se RE ≫ r’e allora il vero guadagno di tensione dell’amplificatore a base comune sarà:
Perché il guadagno di corrente è circa uguale a uno come IC ≅ IE, allora l’equazione del guadagno di tensione si semplifica a solo:
Quindi, se per esempio, 1mA di corrente scorre attraverso la giunzione emettitore-base, la sua impedenza dinamica sarebbe 25mV/1mA = 25Ω. Il guadagno in volt, AV per una resistenza di carico del collettore di 10kΩ sarebbe: 10.000/25 = 400, e più corrente scorre attraverso la giunzione, più bassa diventa la sua resistenza dinamica e più alto è il guadagno di tensione.
Allo stesso modo, più alto è il valore della resistenza di carico, maggiore è il guadagno di tensione dell’amplificatore. Tuttavia, un circuito pratico di amplificatore a base comune difficilmente utilizzerebbe una resistenza di carico maggiore di circa 20kΩ con valori tipici di guadagno di tensione che vanno da circa 100 a 2000 a seconda del valore di RC. Si noti che il guadagno di potenza dell’amplificatore è circa uguale al suo guadagno di tensione.
Poiché il guadagno di tensione dell’amplificatore a base comune dipende dal rapporto di questi due valori resistivi, ne consegue che non c’è inversione di fase tra l’emettitore e il collettore. Così le forme d’onda d’ingresso e d’uscita sono “in fase” tra loro, dimostrando che l’amplificatore a base comune è una configurazione di amplificatore non invertente.
Common Base Amplifier Resistance Gain
Una delle caratteristiche interessanti del circuito dell’amplificatore a base comune è il rapporto tra le sue impedenze d’ingresso e d’uscita che dà origine a ciò che è noto come Resistance Gain degli amplificatori, la proprietà fondamentale che rende possibile l’amplificazione. Abbiamo visto sopra che l’ingresso è collegato all’emettitore e l’uscita presa dal collettore.
Tra l’ingresso e il terminale di massa ci sono due possibili percorsi resistivi paralleli. Uno attraverso la resistenza dell’emettitore, RE a terra e l’altro attraverso r’e e il terminale di base a terra. Così possiamo dire guardando nell’emettitore con la base a terra che: ZIN = RE||r’e.
Ma siccome la resistenza dinamica dell’emettitore, r’e è molto piccola rispetto a RE (r’e≪RE), la resistenza dinamica interna dell’emettitore, r’e domina l’equazione risultando in una bassa impedenza d’ingresso approssimativamente uguale a r’e
Così per la configurazione a base comune l’impedenza d’ingresso è molto bassa e a seconda del valore dell’impedenza della sorgente, RS collegata al terminale di emettitore, i valori dell’impedenza d’ingresso possono variare da 10Ω a 200Ω. La bassa impedenza d’ingresso del circuito amplificatore a base comune è uno dei motivi principali per le sue limitate applicazioni come amplificatore a stadio singolo.
L’impedenza d’uscita dell’amplificatore CB, tuttavia, può essere elevata a seconda della resistenza di collettore utilizzata per controllare il guadagno di tensione e la resistenza di carico esterna collegata, RL. Se una resistenza di carico è collegata attraverso il terminale di uscita dell’amplificatore, è effettivamente collegata in parallelo con la resistenza di collettore, quindi ZOUT = RC||RL.
Ma se la resistenza di carico collegata esternamente, RL è molto grande rispetto alla resistenza di collettore RC, allora RC dominerà l’equazione parallela, risultando in un’impedenza di uscita moderata ZOUT, diventando approssimativamente uguale a RC. Quindi, per una configurazione a base comune, la sua impedenza di uscita che guarda indietro verso il terminale del collettore sarebbe: ZOUT = RC.
Poiché l’impedenza di uscita dell’amplificatore che guarda indietro verso il terminale di collettore può essere potenzialmente molto grande, il circuito a base comune funziona quasi come una sorgente di corrente ideale che prende la corrente di ingresso dal lato a bassa impedenza di ingresso e la invia al lato ad alta impedenza di uscita. Così la configurazione del transistor a base comune è anche chiamata: buffer di corrente o configurazione current follower, e l’opposto della configurazione common-collector (CC) che è chiamata voltage follower.
Riassunto dell’amplificatore a base comune
Abbiamo visto in questo tutorial sull’amplificatore a base comune che ha un guadagno di corrente (alfa) di circa uno (unità), ma anche un guadagno di tensione che può essere molto alto con valori tipici che vanno da 100 a oltre 2000 a seconda del valore della resistenza di carico del collettore RL usata.
Abbiamo anche visto che l’impedenza di ingresso del circuito amplificatore è molto bassa, ma l’impedenza di uscita può essere molto alta. Abbiamo anche detto che l’amplificatore a base comune non inverte il segnale d’ingresso in quanto è una configurazione di amplificatore non invertente.
A causa delle sue caratteristiche di impedenza di ingresso-uscita, la disposizione dell’amplificatore a base comune è estremamente utile nelle applicazioni audio e radio frequenza come buffer di corrente per abbinare una sorgente a bassa impedenza a un carico ad alta impedenza o come amplificatore a stadio singolo come parte di una configurazione a cascata o multistadio in cui uno stadio amplificatore viene utilizzato per guidare un altro.
