Zesilovač se společnou bází je dalším typem konfigurace tranzistoru s bipolárním přechodem (BJT), kde je svorka báze tranzistoru společná pro vstupní i výstupní signál, odtud název společná báze (CB). Konfigurace se společnou bází je jako zesilovač méně častá než v porovnání s populárnějšími konfiguracemi se společným emitorem (CE) nebo se společným kolektorem (CC), ale stále se používá díky svým jedinečným vstupním/výstupním vlastnostem.
Pro fungování konfigurace se společnou bází jako zesilovače je vstupní signál přiveden na svorku emitoru a výstup je odebírán ze svorky kolektoru. Emitorový proud je tedy zároveň vstupním proudem a kolektorový proud je zároveň výstupním proudem, ale protože tranzistor je třívrstvé zařízení se dvěma pn přechody, musí být správně předpětí, aby fungoval jako zesilovač se společnou bází. To znamená, že přechod báze-emitor je předpjatý dopředu.
Podívejte se na níže uvedené základní uspořádání zesilovače se společnou bází.
Zesilovač se společnou bází pomocí tranzistoru NPN
Ze základního uspořádání se společnou bází vidíme, že vstupní proměnné se týkají proudu emitor IE a napětí báze-emitor, VBE, zatímco výstupní proměnné se týkají proudu kolektor IC a napětí kolektor-báze, VCB.
Protože emitorový proud, IE, je zároveň vstupním proudem, jakákoli změna vstupního proudu vyvolá odpovídající změnu kolektorového proudu, IC. Pro konfiguraci zesilovače se společnou bází je proudové zesílení, Ai, dáno jako iOUT/iIN, které je samo o sobě určeno vzorcem IC/IE. Proudové zesílení pro konfiguraci CB se nazývá Alfa, ( α ).
V zesilovači BJT je emitorový proud vždy větší než kolektorový proud, protože IE = IB + IC, proudové zesílení (α) zesilovače proto musí být menší než jedna (jednička), protože IC je vždy menší než IE o hodnotu IB. Zesilovač CB tedy zeslabuje proud, přičemž typické hodnoty alfa se pohybují v rozmezí 0,980 až 0,995.
Elektrický vztah mezi třemi tranzistorovými proudy lze znázornit tak, že získáme výrazy pro alfa, α a Beta, β, jak je uvedeno na obrázku.
Zisk proudu zesilovače s běžnou bází
Pokud je tedy hodnota Beta standardního tranzistoru s bipolárním přechodem 100, pak by hodnota Alfa byla dána takto: 100/101 = 0,99.
Zisk napětí zesilovače se společnou bází
Protože zesilovač se společnou bází nemůže pracovat jako proudový zesilovač (Ai ≅ 1), musí mít proto schopnost pracovat jako napěťový zesilovač. Napěťové zesílení pro zesilovač se společnou bází je poměr VOUT/VIN, tj. kolektorového napětí VC k emitorovému napětí VE. Jinými slovy, VOUT = VC a VIN = VE.
Jelikož se výstupní napětí VOUT vyvíjí přes kolektorový odpor RC, musí být proto výstupní napětí funkcí IC, jak vyplývá z Ohmova zákona, VRC = IC*RC. Jakákoli změna IE tedy bude mít za následek odpovídající změnu IC.
Pak můžeme pro konfiguraci zesilovače s běžnou bází říci, že:
Jelikož IC/IE je alfa, můžeme napěťové zesílení zesilovačů prezentovat jako:
Zisk napětí je tedy víceméně roven poměru kolektorového a emitorového odporu. Mezi bází a emitorovými svorkami bipolárního tranzistoru je však jeden pn-diodový přechod, který dává vzniknout tzv. dynamickému emitorovému odporu tranzistoru, r’e.
Pro střídavé vstupní signály má emitorový diodový přechod efektivní malý signálový odpor daný: r’e = 25mV/IE, kde 25mV je tepelné napětí pn-přechodu a IE je emitorový proud. S rostoucím proudem protékajícím emitorem se tedy odpor emitoru úměrně zmenšuje.
Část vstupního proudu protéká přes tento vnitřní odpor přechodu báze-emitor do báze a také přes externě připojený emitorový odpor, RE. Pro analýzu malých signálů jsou tyto dva odpory zapojeny paralelně vedle sebe.
Protože hodnota r’e je velmi malá a RE je obvykle mnohem větší, obvykle v rozsahu kiloohmů (kΩ), velikost napěťového zesílení zesilovače se dynamicky mění s různými úrovněmi emitorového proudu.
Pokud tedy RE ≫ r’e, pak skutečné napěťové zesílení zesilovače se společnou bází bude:
Protože proudové zesílení je přibližně rovno jedné jako IC ≅ IE, pak se rovnice napěťového zesílení zjednoduší na pouhé:
Pokud tedy například přechodem emitor-báze protéká proud 1mA, jeho dynamická impedance bude 25mV/1mA = 25Ω. Voltové zesílení, AV pro zatěžovací odpor kolektoru 10kΩ by bylo: 10 000/25 = 400, a čím větší proud teče přechodem, tím menší je jeho dynamický odpor a tím větší je napěťové zesílení.
Podobně platí, že čím vyšší je hodnota zatěžovacího odporu, tím větší je napěťové zesílení zesilovače. V praktickém obvodu zesilovače s běžnou bází však pravděpodobně nebude použit zatěžovací odpor větší než asi 20 kΩ, přičemž typické hodnoty napěťového zesílení se pohybují v rozmezí asi 100 až 2000 v závislosti na hodnotě RC. Všimněte si, že výkonové zesílení zesilovače je přibližně stejné jako jeho napěťové zesílení.
Jelikož napěťové zesílení zesilovače se společnou bází závisí na poměru těchto dvou hodnot odporů, vyplývá z toho, že mezi emitorem a kolektorem nedochází k fázové inverzi. Vstupní a výstupní průběh jsou tedy navzájem „ve fázi“, což ukazuje, že zesilovač se společnou bází je neinvertující konfigurace zesilovače.
Zisk zesilovače se společnou bází
Jednou ze zajímavých vlastností obvodu zesilovače se společnou bází je poměr jeho vstupní a výstupní impedance, který dává vzniknout tzv. zisku zesilovače, základní vlastnosti, která umožňuje zesílení. Výše jsme viděli, že vstup je připojen k emitoru a výstup je odebírán z kolektoru.
Mezi vstupní a zemní svorkou existují dvě možné paralelní odporové cesty. Jedna přes odpor emitoru, RE k zemi a druhá přes r’e a svorku báze k zemi. Při pohledu do emitoru s uzemněnou bází tedy můžeme říci, že: ZIN = RE||r’e.
Jelikož je však dynamický odpor emitoru, r’e, ve srovnání s RE velmi malý (r’e≪RE), vnitřní dynamický odpor emitoru, r’e, v rovnici dominuje, což má za následek nízkou vstupní impedanci přibližně rovnou r’e
Pro konfiguraci se společnou bází je tedy vstupní impedance velmi nízká a v závislosti na hodnotě impedance zdroje, RS připojeného ke svorce emitoru, se mohou hodnoty vstupní impedance pohybovat v rozmezí 10Ω až 200Ω. Nízká vstupní impedance zapojení zesilovače se společnou bází je jedním z hlavních důvodů jeho omezeného použití jako jednostupňového zesilovače.
Výstupní impedance zesilovače CB však může být vysoká v závislosti na kolektorovém odporu použitém k řízení napěťového zesílení a připojeném odporu vnější zátěže, RL. Je-li přes výstupní svorku zesilovače připojen zátěžový odpor, je ve skutečnosti připojen paralelně s kolektorovým odporem, pak ZOUT = RC||RL.
Je-li však externě připojený zátěžový odpor, RL, ve srovnání s kolektorovým odporem RC velmi velký, pak RC v paralelní rovnici převládne a výsledkem je mírná výstupní impedance ZOUT, která se přibližně rovná RC. Pak by pro konfiguraci se společnou bází byla její výstupní impedance při pohledu zpět do kolektorové svorky následující:
Jelikož výstupní impedance zesilovače při pohledu zpět do kolektorové svorky může být potenciálně velmi velká, funguje obvod se společnou bází téměř jako ideální zdroj proudu, který odebírá vstupní proud ze strany s nízkou vstupní impedancí a posílá proud na stranu s vysokou výstupní impedancí. Konfigurace tranzistoru se společnou bází se proto také označuje jako: proudový nárazník nebo konfigurace proudového sledovače a je opakem konfigurace se společným kolektorem (CC), která se označuje jako napěťový sledovač.
Shrnutí zesilovače se společnou bází
V tomto učebním textu o zesilovači se společnou bází jsme viděli, že má proudové zesílení (alfa) přibližně jedna (unity), ale také napěťové zesílení, které může být velmi vysoké s typickými hodnotami od 100 do více než 2000 v závislosti na hodnotě použitého zatěžovacího odporu kolektoru RL.
Viděli jsme také, že vstupní impedance zesilovacího obvodu je velmi nízká, ale výstupní impedance může být velmi vysoká. Také jsme si řekli, že zesilovač se společnou bází neinvertuje vstupní signál, protože se jedná o neinvertující konfiguraci zesilovače.
Díky svým vstupně-výstupním impedančním charakteristikám je uspořádání zesilovače se společnou základnou velmi užitečné ve zvukových a radiofrekvenčních aplikacích jako proudový nárazník pro přizpůsobení nízkoimpedančního zdroje vysokoimpedanční zátěži nebo jako jednostupňový zesilovač v rámci kaskádového nebo vícestupňového uspořádání, kde se jeden zesilovací stupeň používá k řízení jiného.
.