Der Verstärker mit gemeinsamer Basis ist eine andere Art von Bipolartransistorkonfiguration (BJT), bei der der Basisanschluss des Transistors ein gemeinsamer Anschluss sowohl für die Eingangs- als auch für die Ausgangssignale ist, daher der Name gemeinsame Basis (CB). Die Konfiguration mit gemeinsamer Basis ist als Verstärker weniger gebräuchlich als die beliebteren Konfigurationen mit gemeinsamem Emitter (CE) oder gemeinsamem Kollektor (CC), wird aber aufgrund ihrer einzigartigen Eingangs-/Ausgangseigenschaften immer noch verwendet.
Damit die Konfiguration mit gemeinsamer Basis als Verstärker funktioniert, wird das Eingangssignal an den Emitteranschluss angelegt und der Ausgang vom Kollektoranschluss abgenommen. Somit ist der Emitterstrom auch der Eingangsstrom und der Kollektorstrom auch der Ausgangsstrom, aber da der Transistor ein dreilagiges Bauelement mit zwei pn-Übergängen ist, muss er korrekt vorgespannt sein, damit er als Verstärker mit gemeinsamer Basis funktioniert. Das bedeutet, dass der Basis-Emitter-Übergang in Durchlassrichtung vorgespannt ist.
Betrachten Sie die folgende grundlegende Konfiguration eines Verstärkers mit gemeinsamer Basis.
Verstärker mit gemeinsamer Basis unter Verwendung eines NPN-Transistors
Aus der Grundkonfiguration mit gemeinsamer Basis geht hervor, dass sich die Eingangsvariablen auf den Emitterstrom IE und die Basis-Emitter-Spannung VBE beziehen, während sich die Ausgangsvariablen auf den Kollektorstrom IC und die Kollektor-Basis-Spannung VCB beziehen.
Da der Emitterstrom IE auch der Eingangsstrom ist, führt jede Änderung des Eingangsstroms zu einer entsprechenden Änderung des Kollektorstroms IC. Für eine Verstärkerkonfiguration mit gemeinsamer Basis wird die Stromverstärkung Ai als iOUT/iIN angegeben, die wiederum durch die Formel IC/IE bestimmt wird. Die Stromverstärkung für eine CB-Konfiguration wird Alpha ( α ) genannt.
In einem BJT-Verstärker ist der Emitterstrom immer größer als der Kollektorstrom, da IE = IB + IC, die Stromverstärkung (α) des Verstärkers muss daher kleiner als 1 (1) sein, da IC immer um den Wert von IB kleiner als IE ist. Der CB-Verstärker dämpft also den Strom, wobei typische Werte für alpha zwischen 0,980 und 0,995 liegen.
Die elektrische Beziehung zwischen den drei Transistorströmen kann gezeigt werden, um die Ausdrücke für alpha, α und Beta, β wie gezeigt zu erhalten.
Gemeinsame Basisverstärker-Stromverstärkung
Wenn also der Beta-Wert eines Standard-Bipolartransistors 100 ist, dann würde der Wert von Alpha wie folgt lauten: 100/101 = 0,99.
Spannungsverstärker mit gemeinsamer Basis
Da der Verstärker mit gemeinsamer Basis nicht als Stromverstärker arbeiten kann (Ai ≅ 1), muss er die Fähigkeit haben, als Spannungsverstärker zu arbeiten. Die Spannungsverstärkung für den Verstärker mit gemeinsamer Basis ist das Verhältnis von VOUT/VIN, d.h. die Kollektorspannung VC zur Emitterspannung VE. Mit anderen Worten: VOUT = VC und VIN = VE.
Da die Ausgangsspannung VOUT über den Kollektorwiderstand RC entwickelt wird, muss die Ausgangsspannung daher eine Funktion von IC sein, wie aus dem Ohmschen Gesetz hervorgeht: VRC = IC*RC. Jede Änderung von IE hat also eine entsprechende Änderung von IC zur Folge.
Dann können wir für eine übliche Basisverstärkerkonfiguration sagen, dass:
Da IC/IE alpha ist, können wir die Spannungsverstärkung des Verstärkers darstellen als:
Daher ist die Spannungsverstärkung mehr oder weniger gleich dem Verhältnis des Kollektorwiderstands zum Emitterwiderstand. In einem Bipolartransistor befindet sich jedoch zwischen dem Basis- und dem Emitteranschluss ein einzelner pn-Diodenübergang, der den so genannten dynamischen Emitterwiderstand r’e verursacht.
Für Wechselstrom-Eingangssignale hat der Emitter-Diodenübergang einen effektiven Kleinsignalwiderstand, der wie folgt angegeben wird: r’e = 25mV/IE, wobei 25mV die Thermospannung des pn-Übergangs und IE der Emitterstrom ist. Wenn also der durch den Emitter fließende Strom zunimmt, nimmt der Emitterwiderstand proportional ab.
Ein Teil des Eingangsstroms fließt durch diesen internen Basis-Emitter-Übergangswiderstand zur Basis sowie durch den extern angeschlossenen Emitterwiderstand RE. Für die Kleinsignalanalyse werden diese beiden Widerstände parallel zueinander geschaltet.
Da der Wert von r’e sehr klein ist und RE in der Regel viel größer ist, meist im Kiloohm-Bereich, ändert sich die Größe der Spannungsverstärkung des Verstärkers dynamisch mit unterschiedlichen Werten des Emitterstroms.
Wenn also RE ≫ r’e ist, dann ist die tatsächliche Spannungsverstärkung des Verstärkers mit gemeinsamer Basis:
Da die Stromverstärkung ungefähr gleich eins ist, wenn IC ≅ IE ist, vereinfacht sich die Gleichung für die Spannungsverstärkung auf:
Wenn also beispielsweise ein Strom von 1mA durch den Emitter-Basis-Übergang fließt, beträgt seine dynamische Impedanz 25mV/1mA = 25Ω. Die Voltverstärkung, AV für einen Kollektorlastwiderstand von 10kΩ wäre: 10.000/25 = 400, und je mehr Strom durch den Übergang fließt, desto niedriger wird sein dynamischer Widerstand und desto höher die Spannungsverstärkung.
Gleichermaßen gilt: Je höher der Wert des Lastwiderstands, desto größer die Spannungsverstärkung des Verstärkers. Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass in einer praktischen Verstärkerschaltung mit gemeinsamer Basis ein Lastwiderstand von mehr als etwa 20 kΩ verwendet wird, wobei die typischen Werte der Spannungsverstärkung je nach dem Wert von RC zwischen etwa 100 und 2000 liegen. Man beachte, dass die Leistungsverstärkung des Verstärkers etwa gleich groß ist wie seine Spannungsverstärkung.
Da die Spannungsverstärkung des Verstärkers mit gemeinsamer Basis vom Verhältnis dieser beiden Widerstandswerte abhängt, folgt daraus, dass es keine Phasenumkehr zwischen Emitter und Kollektor gibt. Somit sind die Eingangs- und Ausgangswellenformen „gleichphasig“ zueinander, was zeigt, dass der Verstärker mit gemeinsamer Basis eine nicht invertierende Verstärkerkonfiguration ist.
Widerstandsverstärkung des Verstärkers mit gemeinsamer Basis
Eine der interessanten Eigenschaften der Verstärkerschaltung mit gemeinsamer Basis ist das Verhältnis der Eingangs- und Ausgangsimpedanzen, das zur so genannten Widerstandsverstärkung des Verstärkers führt, der grundlegenden Eigenschaft, die eine Verstärkung ermöglicht. Wir haben oben gesehen, dass der Eingang mit dem Emitter und der Ausgang mit dem Kollektor verbunden ist.
Zwischen dem Eingang und dem Masseanschluss gibt es zwei mögliche parallele Widerstandsbahnen. Einer durch den Emitterwiderstand, RE zur Masse und der andere durch r’e und den Basisanschluss zur Masse. Mit Blick auf den Emitter und die geerdete Basis können wir also sagen, dass: ZIN = RE||r’e.
Da aber der dynamische Emitterwiderstand r’e im Vergleich zu RE sehr klein ist (r’e≪RE), dominiert der interne dynamische Emitterwiderstand r’e die Gleichung, was zu einer niedrigen Eingangsimpedanz führt, die ungefähr gleich r’e ist
Die Eingangsimpedanz der Konfiguration mit gemeinsamer Basis ist also sehr niedrig, und je nach dem Wert der Quellenimpedanz RS, die mit dem Emitteranschluss verbunden ist, können die Eingangsimpedanzwerte zwischen 10Ω und 200Ω liegen. Die niedrige Eingangsimpedanz der Verstärkerschaltung mit gemeinsamer Basis ist einer der Hauptgründe für ihre begrenzte Anwendung als einstufiger Verstärker.
Die Ausgangsimpedanz des CB-Verstärkers kann jedoch hoch sein, je nach dem Kollektorwiderstand, der zur Steuerung der Spannungsverstärkung verwendet wird, und dem angeschlossenen externen Lastwiderstand, RL. Wenn ein Lastwiderstand an den Ausgangsanschluss des Verstärkers angeschlossen ist, ist er effektiv parallel zum Kollektorwiderstand geschaltet, dann ist ZOUT = RC||RL.
Wenn aber der extern angeschlossene Lastwiderstand RL im Vergleich zum Kollektorwiderstand RC sehr groß ist, dann dominiert RC die Parallelgleichung, was zu einer mäßigen Ausgangsimpedanz ZOUT führt, die ungefähr gleich RC wird. Bei einer Konfiguration mit gemeinsamer Basis wäre dann die Ausgangsimpedanz mit Blick auf den Kollektoranschluss wie folgt: ZOUT = RC.
Da die Ausgangsimpedanz des Verstärkers mit Blick auf den Kollektoranschluss potenziell sehr groß sein kann, arbeitet die Schaltung mit gemeinsamer Basis fast wie eine ideale Stromquelle, die den Eingangsstrom von der Seite mit niedriger Eingangsimpedanz aufnimmt und an die Seite mit hoher Ausgangsimpedanz weiterleitet. Daher wird die Transistorkonfiguration mit gemeinsamer Basis auch als Strompuffer- oder Stromfolger-Konfiguration bezeichnet und ist das Gegenteil der Konfiguration mit gemeinsamem Kollektor (CC), die als Spannungsfolger bezeichnet wird.
Zusammenfassung des Verstärkers mit gemeinsamer Basis
Wir haben in diesem Tutorial über den Verstärker mit gemeinsamer Basis gesehen, dass er eine Stromverstärkung (alpha) von ungefähr eins (unity) hat, aber auch eine Spannungsverstärkung, die sehr hoch sein kann, mit typischen Werten von 100 bis über 2000, je nach dem Wert des verwendeten Kollektor-Lastwiderstands RL.
Wir haben auch gesehen, dass die Eingangsimpedanz der Verstärkerschaltung sehr niedrig ist, aber die Ausgangsimpedanz sehr hoch sein kann. Wir haben auch gesagt, dass der Verstärker mit gemeinsamer Basis das Eingangssignal nicht invertiert, da es sich um eine nicht-invertierende Verstärkerkonfiguration handelt.
Aufgrund seiner Eingangs-Ausgangs-Impedanz-Charakteristik ist die Common-Base-Verstärkeranordnung in Audio- und Hochfrequenzanwendungen äußerst nützlich als Strompuffer zur Anpassung einer niederohmigen Quelle an eine hochohmige Last oder als einstufiger Verstärker als Teil einer kaskodierten oder mehrstufigen Konfiguration, bei der eine Verstärkerstufe zur Ansteuerung einer anderen verwendet wird.
