El amplificador de base común es otro tipo de configuración de transistor de unión bipolar, (BJT) en el que el terminal de base del transistor es un terminal común a las señales de entrada y salida, de ahí su nombre de base común (CB). La configuración de base común es menos común como amplificador que las configuraciones más populares de emisor común (CE) o colector común (CC), pero se sigue utilizando debido a sus características únicas de entrada/salida.
Para que la configuración de base común funcione como amplificador, la señal de entrada se aplica al terminal de emisor y la salida se toma del terminal de colector. Así, la corriente de emisor es también la corriente de entrada, y la corriente de colector es también la corriente de salida, pero como el transistor es un dispositivo de tres capas y dos uniones pn, debe estar correctamente polarizado para que funcione como un amplificador de base común. Es decir, la unión base-emisor está polarizada hacia delante.
Considere la configuración básica del amplificador de base común que se muestra a continuación.
Amplificador de base común utilizando un transistor NPN
Entonces podemos ver en la configuración básica de base común que las variables de entrada están relacionadas con la corriente de emisor IE y la tensión base-emisor, VBE, mientras que las variables de salida están relacionadas con la corriente de colector IC y la tensión colector-base, VCB.
Como la corriente de emisor, IE, es también la corriente de entrada, cualquier cambio en la corriente de entrada creará un cambio correspondiente en la corriente de colector, IC. Para una configuración de amplificador de base común, la ganancia de corriente, Ai, viene dada por iOUT/iIN, que a su vez viene determinada por la fórmula IC/IE. La ganancia de corriente para una configuración CB se denomina Alfa, ( α ).
En un amplificador BJT la corriente de emisor es siempre mayor que la corriente de colector ya que IE = IB + IC, la ganancia de corriente (α) del amplificador debe ser por tanto menor que uno (unidad) ya que IC es siempre menor que IE por el valor de IB. Así, el amplificador CB atenúa la corriente, con valores típicos de alfa que oscilan entre 0,980 y 0,995.
La relación eléctrica entre las tres corrientes del transistor puede mostrarse para dar las expresiones de alfa, α y Beta, β como se muestra.
Ganancia de corriente del amplificador de base común
Por tanto, si el valor de Beta de un transistor de unión bipolar estándar es 100, el valor de Alfa vendría dado como: 100/101 = 0,99.
Ganancia de tensión del amplificador de base común
Como el amplificador de base común no puede funcionar como amplificador de corriente (Ai ≅ 1), debe por tanto tener la capacidad de funcionar como amplificador de tensión. La ganancia de tensión para el amplificador de base común es la relación de VOUT/VIN, es decir, la tensión de colector VC a la tensión de emisor VE. En otras palabras, VOUT = VC y VIN = VE.
Como la tensión de salida VOUT se desarrolla a través de la resistencia de colector, RC, la tensión de salida debe ser por lo tanto una función de IC como de la Ley de Ohms, VRC = IC*RC. Así que cualquier cambio en IE tendrá un cambio correspondiente en IC.
Entonces podemos decir para una configuración de amplificador de base común que:
Como IC/IE es alfa, podemos presentar la ganancia de tensión de los amplificadores como:
Por tanto, la ganancia de tensión es más o menos igual a la relación entre la resistencia de colector y la resistencia de emisor. Sin embargo, dentro de un transistor de unión bipolar hay una única unión de diodo pn entre los terminales de base y emisor que da lugar a lo que se denomina la resistencia dinámica de emisor del transistor, r’e.
Para las señales de entrada de CA, la unión de diodo emisor tiene una resistencia efectiva de pequeña señal dada por: r’e = 25mV/IE, donde los 25mV son la tensión térmica de la unión pn y IE es la corriente de emisor. Por lo tanto, a medida que la corriente que fluye a través del emisor aumenta, la resistencia del emisor disminuirá en una cantidad proporcional.
Una parte de la corriente de entrada fluye a través de esta resistencia interna de la unión base-emisor a la base, así como a través de la resistencia del emisor conectada externamente, RE. Para el análisis de la señal pequeña, estas dos resistencias se conectan en paralelo entre sí.
Como el valor de r’e es muy pequeño, y RE es generalmente mucho mayor, normalmente en el rango de los kilohmios (kΩ), la magnitud de la ganancia de voltaje de los amplificadores cambia dinámicamente con diferentes niveles de corriente de emisor.
Así, si RE ≫ r’e entonces la verdadera ganancia de tensión del amplificador de base común será:
Debido a que la ganancia de corriente es aproximadamente igual a uno como IC ≅ IE, entonces la ecuación de ganancia de tensión se simplifica a sólo:
Así que si, por ejemplo, por la unión emisor-base circula 1mA de corriente, su impedancia dinámica sería de 25mV/1mA = 25Ω. La ganancia en voltios, AV para una resistencia de carga de colector de 10kΩ sería: 10.000/25 = 400, y cuanta más corriente fluya por la unión, menor será su resistencia dinámica y mayor será la ganancia de tensión.
De igual forma, cuanto mayor sea el valor de la resistencia de carga, mayor será la ganancia de tensión de los amplificadores. Sin embargo, en un circuito práctico de amplificador de base común es poco probable que se utilice una resistencia de carga superior a unos 20kΩ, con valores típicos de ganancia de tensión que oscilan entre unos 100 y 2000, dependiendo del valor de RC. Tenga en cuenta que la ganancia de potencia de los amplificadores es aproximadamente la misma que su ganancia de tensión.
Como la ganancia de tensión del amplificador de base común depende de la relación de estos dos valores resistivos, se deduce que no hay inversión de fase entre el emisor y el colector. Así, las formas de onda de entrada y de salida están «en fase» entre sí, lo que demuestra que el amplificador de base común es una configuración de amplificador no inversor.
Ganancia de resistencia del amplificador de base común
Una de las características interesantes del circuito amplificador de base común es la relación de sus impedancias de entrada y de salida que da lugar a lo que se conoce como ganancia de resistencia de los amplificadores, la propiedad fundamental que hace posible la amplificación. Hemos visto anteriormente que la entrada se conecta al emisor y la salida se toma del colector.
Entre la entrada y el terminal de tierra hay dos posibles caminos resistivos paralelos. Uno a través de la resistencia del emisor, RE a tierra y el otro a través de r’e y el terminal de base a tierra. Así podemos decir mirando al emisor con la base a tierra que: ZIN = RE||r’e.
Pero como la resistencia dinámica del emisor, r’e es muy pequeña comparada con RE (r’e≪RE), la resistencia dinámica interna del emisor, r’e domina la ecuación dando como resultado una baja impedancia de entrada aproximadamente igual a r’e
Así que para la configuración de base común la impedancia de entrada es muy baja y dependiendo del valor de la impedancia de la fuente, RS conectada al terminal del emisor, los valores de la impedancia de entrada pueden oscilar entre 10Ω y 200Ω. La baja impedancia de entrada del circuito amplificador de base común es una de las principales razones de sus limitadas aplicaciones como amplificador de una sola etapa.
La impedancia de salida del amplificador CB, sin embargo, puede ser alta dependiendo de la resistencia de colector utilizada para controlar la ganancia de tensión y de la resistencia de carga externa conectada, RL. Si una resistencia de carga está conectada a través del terminal de salida de los amplificadores, está efectivamente conectada en paralelo con la resistencia de colector, entonces ZOUT = RC||RL.
Pero si la resistencia de carga conectada externamente, RL es muy grande en comparación con la resistencia de colector RC, entonces RC dominará la ecuación en paralelo, resultando en una impedancia de salida moderada ZOUT, llegando a ser aproximadamente igual a RC. Entonces, para una configuración de base común, su impedancia de salida mirando hacia el terminal de colector sería ZOUT = RC.
Como la impedancia de salida del amplificador mirando hacia el terminal de colector puede ser potencialmente muy grande, el circuito de base común opera casi como una fuente de corriente ideal tomando la corriente de entrada desde el lado de baja impedancia de entrada y enviando la corriente al lado de alta impedancia de salida. Por lo tanto, la configuración del transistor de base común también se denomina: buffer de corriente o configuración de seguidor de corriente, y lo contrario de la configuración de colector común (CC) que se denomina seguidor de tensión.
Resumen del amplificador de base común
Hemos visto aquí en este tutorial sobre el amplificador de base común que tiene una ganancia de corriente (alfa) de aproximadamente uno (unidad), pero también una ganancia de tensión que puede ser muy alta con valores típicos que van de 100 a más de 2000 dependiendo del valor de la resistencia de carga de colector RL utilizada.
También hemos visto que la impedancia de entrada del circuito amplificador es muy baja, pero la impedancia de salida puede ser muy alta. También hemos dicho que el amplificador de base común no invierte la señal de entrada ya que es una configuración de amplificador no inversor.
Debido a sus características de impedancia de entrada-salida, la disposición del amplificador de base común es extremadamente útil en aplicaciones de audio y radiofrecuencia como un amortiguador de corriente para hacer coincidir una fuente de baja impedancia con una carga de alta impedancia o como un amplificador de una sola etapa como parte de una configuración en cascada o multietapa en la que una etapa del amplificador se utiliza para conducir otra.
