Fælles baseforstærkeren er en anden type bipolar junction transistor (BJT)-konfiguration, hvor transistorens baseterminal er fælles terminal for både indgangs- og udgangssignalerne, deraf navnet fælles base (CB). Konfigurationen med fælles base er mindre almindelig som forstærker end de mere populære konfigurationer med fælles emitter (CE) eller fælles samler (CC), men den anvendes stadig på grund af dens unikke input/output-egenskaber.
For at konfigurationen med fælles base kan fungere som forstærker, påføres indgangssignalet emitterterminalen, og output-signalet tages fra samlerterminalen. Emitterstrømmen er således også indgangsstrømmen, og kollektorstrømmen er også udgangsstrømmen, men da transistoren er en enhed med tre lag og to pn-forbindelser, skal den være korrekt biased, for at den kan fungere som en common base-forstærker. Det vil sige, at base-emitter-junctionen er forward-biased.
Se nedenstående grundlæggende konfiguration af en common base-forstærker.
Fællesbaseforstærker ved hjælp af en NPN-transistor
Så kan vi ud fra den grundlæggende fællesbasekonfiguration se, at indgangsvariablerne vedrører emitterstrømmen IE og basis-emitterspændingen, VBE, mens udgangsvariablerne vedrører kollektorstrømmen IC og kollektor-basisspændingen, VCB.
Da emitterstrømmen IE også er indgangsstrømmen, vil enhver ændring i indgangsstrømmen skabe en tilsvarende ændring i kollektorstrømmen IC. For en forstærkerkonfiguration med fælles base er strømforstærkningen Ai givet som iOUT/iIN, som i sig selv bestemmes af formlen IC/IE. Strømforstærkningen for en CB-konfiguration kaldes Alpha, ( α ).
I en BJT-forstærker er emitterstrømmen altid større end kollektorstrømmen, da IE = IB + IC, forstærkerens strømforstærkning (α) må derfor være mindre end 1 (enhed), da IC altid er mindre end IE med værdien af IB. CB-forstærkeren dæmper således strømmen, med typiske værdier for alpha på mellem 0,980 og 0,995.
Den elektriske sammenhæng mellem de tre transistorstrømme kan vises, så man får udtrykkene for alpha, α og Beta, β som vist.
Common Base Amplifier Current Gain
Hvis Beta værdien for en standard bipolær junction transistor er 100, vil værdien for Alpha være givet som: 100/101 = 0,99.
Spændingsforstærkning af common base-forstærkeren
Da common base-forstærkeren ikke kan fungere som en strømforstærker (Ai ≅ 1), skal den derfor have mulighed for at fungere som en spændingsforstærker. Spændingsforstærkningen for common base-forstærkeren er forholdet mellem VOUT/VIN, dvs. kollektorspændingen VC og emitterspændingen VE. Med andre ord: VOUT = VC og VIN = VE.
Da udgangsspændingen VOUT udvikles over kollektormodstanden RC, må udgangsspændingen derfor være en funktion af IC som følge af Ohms lov, VRC = IC*RC. Så enhver ændring i IE vil medføre en tilsvarende ændring i IC.
Så kan vi for en almindelig basisforstærkerkonfiguration sige, at:
Som IC/IE er alfa, kan vi præsentere forstærkerens spændingsforstærkning som:
Spændingsforstærkningen er derfor mere eller mindre lig med forholdet mellem kollektormodstanden og emittermodstanden. Der er imidlertid et enkelt pn-diodeforbindelse i en bipolar junction-transistor mellem basis- og emitterterminalerne, hvilket giver anledning til det, der kaldes transistorens dynamiske emittermodstand, r’e.
For AC-indgangssignaler har emitterdiodeforbindelsen en effektiv småsignalmodstand, der er givet ved: r’e = 25mV/IE, hvor 25mV er pn-forbindelsens termiske spænding og IE er emitterstrømmen. Så når strømmen, der løber gennem emitteren, stiger, vil emittermodstanden falde proportionalt.
En del af indgangsstrømmen løber gennem denne interne base-emitterforbindelsesmodstand til basen samt gennem den eksternt tilsluttede emittermodstand, RE. Til analyse af små signaler er disse to modstande forbundet parallelt med hinanden.
Da værdien af r’e er meget lille, og RE generelt er meget større, normalt i kilohms (kΩ)-området, ændres størrelsen af forstærkerens spændingsforstærkning dynamisk med forskellige niveauer af emitterstrømmen.
Så hvis RE ≫ r’e, vil den sande spændingsforstærkning af common base-forstærkeren være:
Da strømforstærkningen er omtrent lig med 1 som IC ≅ IE, forenkles spændingsforstærkningsligningen til blot:
Så hvis der f.eks. løber 1 mA strøm gennem emitter-base-forbindelsen, vil dens dynamiske impedans være 25mV/1mA = 25Ω. Voltforstærkningen, AV for en kollektorbelastningsmodstand på 10kΩ ville være: 10.000/25 = 400, og jo mere strøm der strømmer gennem forbindelsen, jo lavere bliver dens dynamiske modstand og jo højere spændingsforstærkning.
Sådan er det også, at jo højere værdien af belastningsmodstanden er, jo større er forstærkerens spændingsforstærkning. Det er imidlertid usandsynligt, at et praktisk common base-forstærkerkredsløb vil anvende en belastningsmodstand på mere end ca. 20kΩ med typiske værdier for spændingsforstærkning fra ca. 100 til 2000 afhængigt af værdien af RC. Bemærk, at forstærkerens effektforstærkning er omtrent den samme som dens spændingsforstærkning.
Da spændingsforstærkningen af common base-forstærkeren afhænger af forholdet mellem disse to modstandsværdier, følger det derfor, at der ikke er nogen faseinversion mellem emitteren og kollektoren. Indgangs- og udgangsbølgeformerne er således “i fase” med hinanden, hvilket viser, at common base-forstærkeren er en ikke-inverterende forstærkerkonfiguration.
Common Base Amplifier Resistance Gain
Et af de interessante kendetegn ved common base-forstærkerkredsløbet er forholdet mellem dets indgangs- og udgangsimpedanser, der giver anledning til det, der er kendt som forstærkerens Resistance Gain, den grundlæggende egenskab, der gør forstærkning mulig. Vi har ovenfor set, at indgangen er forbundet med emitteren og udgangen tages fra kollektoren.
Mellem indgangen og jordterminalen er der to mulige parallelle resistive baner. Den ene gennem emittermodstanden, RE til jord og den anden gennem r’e og baseterminalen til jord. Vi kan således sige, når vi ser ind i emitteren med basen jordet, at: ZIN = RE||r’e.
Men da den dynamiske emittermodstand, r’e, er meget lille i forhold til RE (r’e≪RE), dominerer den interne dynamiske emittermodstand, r’e, ligningen, hvilket resulterer i en lav indgangsimpedans, der er omtrent lig med r’e
Så for den fælles base-konfiguration er indgangsimpedansen meget lav, og afhængigt af værdien af kildeimpedansen, RS, der er forbundet med emitterterminalen, kan indgangsimpedansværdierne svinge fra mellem 10Ω og 200Ω. Den lave indgangsimpedans for common base-forstærkerkredsløbet er en af hovedårsagerne til dets begrænsede anvendelser som en enkelttrinsforstærker.
Udgangsimpedansen for CB-forstærkeren kan imidlertid være høj, afhængigt af den kollektormodstand, der anvendes til at styre spændingsforstærkningen, og den tilsluttede eksterne belastningsmodstand, RL. Hvis en belastningsmodstand er tilsluttet over forstærkerens udgangsterminal, er den effektivt forbundet parallelt med kollektormodstanden, så ZOUT = RC||RL.
Men hvis den eksternt tilsluttede belastningsmodstand, RL, er meget stor i forhold til kollektormodstanden RC, så vil RC dominere parallelligningen, hvilket resulterer i en moderat udgangsimpedans ZOUT, der bliver omtrent lig med RC. Så for en konfiguration med fælles base vil dens udgangsimpedans, når man ser tilbage i kollektorterminalen, være: ZOUT = RC.
Da forstærkerens udgangsimpedans, når man ser tilbage til kollektorterminalen, potentielt kan være meget stor, fungerer kredsløbet med fælles base næsten som en ideel strømkilde, der tager indgangsstrømmen fra den side med lav indgangsimpedans og sender strømmen til den side med høj udgangsimpedans. Derfor kaldes den fælles basistransistorkonfiguration også for en: strømbuffer- eller strømfølgerkonfiguration og det modsatte af common-collector-konfigurationen (CC-konfigurationen), som kaldes en spændingsfølger.
Sammenfatning af common base-forstærkeren
Vi har her i denne tutorial om common base-forstærkeren set, at den har en strømforstærkning (alpha) på ca. 1 (enhed), men også en spændingsforstærkning, der kan være meget høj med typiske værdier fra 100 til over 2000 afhængigt af værdien af den anvendte kollektorbelastningsmodstand RL.
Vi har også set, at forstærkerkredsløbets indgangsimpedans er meget lav, men at udgangsimpedansen kan være meget høj. Vi har også sagt, at forstærkeren med fælles base ikke inverterer indgangssignalet, da det er en ikke-inverterende forstærkerkonfiguration.
På grund af dens indgangs-udgangsimpedanskarakteristika er den fælles basisforstærkeropstilling yderst anvendelig i lyd- og radiofrekvensanvendelser som en strømbuffer til at matche en lavimpedanskilde med en højimpedansbelastning eller som en enkelttrinsforstærker som en del af en kaskodet eller flertrinsopstilling, hvor et forstærkertrin bruges til at drive et andet.
