Common Base Amplifier on toisenlainen bipolaarinen kytkentätransistori (BJT) -konfiguraatio, jossa transistorin perusliitäntä on yhteinen sekä tulo- että lähtösignaalien kanssa, mistä johtuu sen nimi common base (CB). Yhteisen kannan konfiguraatio on harvinaisempi vahvistimena kuin suositummat yhteisen emitterin (CE) tai yhteisen kollektorin (CC) konfiguraatiot, mutta sitä käytetään edelleen sen ainutlaatuisten tulo-/lähtöominaisuuksien vuoksi.
Jotta yhteisen kannan konfiguraatio toimisi vahvistimena, tulosignaali syötetään emitterin päätelaitteeseen ja lähtö otetaan kollektorin päätelaitteesta. Siten emitterivirta on myös tulovirta ja kollektorivirta on myös lähtövirta, mutta koska transistori on kolmikerroksinen, kaksi pn-liitäntää sisältävä laite, se on alustettava oikein, jotta se toimisi yhteispohjavahvistimena. Toisin sanoen pohjaemitteriliitos on eteenpäin jännitetty.
Harkitse alla olevaa yhteisen pohjavahvistimen peruskokoonpanoa.
yhteispohjavahvistin käyttäen NPN-transistoria
Yhteispohjavahvistimen peruskonfiguraatiosta nähdään, että tulomuuttujat liittyvät emitterivirtaan IE ja emitterin ja pohjan väliseen emitterin väliseen jännitteeseen VBE:hen, kun taas lähdön muuttujat liittyvät kollektorivirtaan IC:hen ja kollektorin pohjan väliseen jännitteeseen VCB.
Koska emitterivirta IE on myös tulovirta, kaikki muutokset tulovirtaan aiheuttavat vastaavan muutoksen kollektorivirtaan IC. Yhteisen perusvahvistinkonfiguraation osalta virtavahvistus, Ai, on iOUT / iIN, joka puolestaan määräytyy kaavalla IC / IE. CB-konfiguraation virtavahvistus on nimeltään Alpha, ( α ).
BJT-vahvistimessa emitterivirta on aina suurempi kuin kollektorivirta, koska IE = IB + IC, vahvistimen virtavahvistuksen (α) on siis oltava pienempi kuin yksi (yksikkö), koska IC on aina pienempi kuin IE IB: n arvolla. Siten CB-vahvistin vaimentaa virtaa, ja tyypilliset alfa-arvot vaihtelevat välillä 0,980-0,995.
Kolmen transistorin virtojen välinen sähköinen suhde voidaan osoittaa siten, että saadaan alfa-, α- ja beeta-, β-arvojen lausekkeet kuvan mukaisesti.
Yleisen perusvahvistimen virtavahvistus
Jos siis tavallisen bipolaarisen liityntäliitäntätransistorin beeta-arvoksi saadaan 100, saadaan alphan arvoksi: 100/101 = 0,99.
yhteispohjavahvistimen jännitevahvistus
Koska yhteispohjavahvistin ei voi toimia virtavahvistimena (Ai ≅ 1), sillä on siis oltava kyky toimia jännitevahvistimena. Yhteispohjavahvistimen jännitevahvistus on suhde VOUT/VIN, eli kollektorijännite VC ja emitterijännite VE. Toisin sanoen VOUT = VC ja VIN = VE.
Koska lähtöjännite VOUT kehittyy kollektoriresistanssin, RC, yli, lähtöjännitteen on näin ollen oltava IC:n funktio kuten Ohmin laista, VRC = IC*RC. Joten mikä tahansa muutos IE: ssä on vastaava muutos IC: ssä.
Tällöin voimme sanoa tavalliselle perusvahvistinkonfiguraatiolle, että:
Koska IC/IE on alfa, voimme esittää vahvistimen jännitevahvistuksen seuraavasti:
Jännitevahvistus on siis suurin piirtein yhtä suuri kuin kollektoriresistanssin suhde emitteriresistanssiin. Bipolaariliitäntätransistorin sisällä on kuitenkin yksi pn-diodiliitos perus- ja emitteriterminaalien välissä, mikä aiheuttaa niin sanotun transistorin dynaamisen emitteriresistanssin r’e.
Vaihtovirtasignaalien tuloilmoituksissa emitteridiodiliitoksella on efektiivinen piensignaaliresistanssi, joka saadaan kaavalla: r’e = 25mV/IE, missä 25mV on pn-liitoksen lämpöjännite ja IE on emitterin virta. Näin ollen emitterin läpi kulkevan virran kasvaessa emitteriresistanssi pienenee samassa suhteessa.
Osa tulovirrasta kulkee tämän sisäisen emitteri-emitteriliitoksen resistanssin kautta emäkselle sekä ulkoisesti kytketyn emitterivastuksen RE kautta. Piensignaalianalyysia varten nämä kaksi vastusta kytketään rinnakkain toistensa kanssa.
Koska r’e:n arvo on hyvin pieni ja RE on yleensä paljon suurempi, yleensä kilohmia (kΩ), vahvistimen jännitevahvistuksen suuruus muuttuu dynaamisesti emitterivirran eri tasoilla.
Jos siis RE ≫ r’e, niin yhteispohjavahvistimen todellinen jännitevahvistus on:
Koska virtavahvistus on likimain yhtä suuri kuin yksi, kun IC ≫ r’e, niin jännitevahvistusyhtälön yhtälöksi yksinkertaistuu vain:
Jos siis esimerkiksi emitteri-perusliitoksen läpi virtaa 1mA virtaa, sen dynaaminen impedanssi olisi 25mV/1mA = 25Ω. Voltin vahvistus, AV kollektorin kuormitusvastuksen ollessa 10kΩ olisi: 10 000/25 = 400, ja mitä enemmän virtaa liitoksen läpi virtaa, sitä pienemmäksi tulee sen dynaaminen resistanssi ja sitä suurempi jännitevahvistus.
Niin ikään, mitä suurempi kuorman vastuksen arvo on, sitä suurempi on vahvistimen jännitevahvistus. Käytännön yhteinen perusvahvistinpiiri ei kuitenkaan todennäköisesti käyttäisi kuormitusvastusta, joka on suurempi kuin noin 20kΩ, jolloin jännitevahvistuksen tyypilliset arvot vaihtelevat noin 100-2000 riippuen RC: n arvosta. Huomaa, että vahvistimen tehovahvistus on suunnilleen sama kuin sen jännitevahvistus.
Koska yhteisen perusvahvistimen jännitevahvistus riippuu näiden kahden vastusarvon suhteesta, siitä seuraa, että emitterin ja kollektorin välillä ei ole vaiheinversiota. Näin ollen tulo- ja lähtöaaltomuodot ovat ”in-vaiheisia” keskenään, mikä osoittaa, että yhteinen perusvahvistin on ei-invertoiva vahvistinkonfiguraatio.
Yhteisen perusvahvistimen vastusvahvistus
Yksi yhteisen perusvahvistinpiirin mielenkiintoisista ominaisuuksista on sen tulo- ja lähtöimpedanssien suhde, joka synnyttää niin sanotun vahvistimen vastusvahvistuksen (Resistance Gain), perustavanlaatuisen ominaisuuden, joka mahdollistaa vahvistuksen. Olemme nähneet edellä, että tulo on kytketty emitteriin ja lähtö otetaan kollektorista.
Tulon ja maadoitusliittimen välillä on kaksi mahdollista rinnakkaista resistiivistä polkua. Toinen emitteriresistanssin RE:n kautta maahan ja toinen r’e:n ja perusliittimen kautta maahan. Näin ollen voimme sanoa emitteriin katsottuna perusliitännän ollessa maadoitettu, että: ZIN = RE||r’e.
Mutta koska dynaaminen emitteriresistanssi, r’e on hyvin pieni verrattuna RE: hen (r’e≪RE), sisäinen dynaaminen emitteriresistanssi, r’e hallitsee yhtälöä, mikä johtaa matalaan tuloimpedanssiin, joka on suunnilleen yhtä suuri kuin r’e
Selvästi yhteisessä peruskonfiguraatiossa sisäänmenoimpedanssi on hyvin matala ja riippuen lähde-impedanssin arvosta, RS, joka on kytketty emitterin päätepäätteeseen, sisäänmenoimpedanssin arvot voivat vaihdella väliltä 10Ω ja 200Ω. Yhteisen perusvahvistinpiirin alhainen tuloimpedanssi on yksi tärkeimmistä syistä sen rajoitettuihin sovelluksiin yksivaiheisena vahvistimena.
CB-vahvistimen lähtöimpedanssi voi kuitenkin olla korkea riippuen jännitevahvistuksen säätämiseen käytetystä kollektoriresistanssista ja kytketystä ulkoisesta kuormitusvastuksesta, RL. Jos kuormitusvastus on kytketty vahvistimen lähtöliitännän yli, se on tehokkaasti kytketty rinnakkain kollektoriresistanssin kanssa, jolloin ZOUT = RC|||RL.
Mutta jos ulkoisesti kytketty kuormitusvastus, RL, on hyvin suuri verrattuna kollektoriresistanssiin RC, RC hallitsee rinnakkaisyhtälöä, mikä johtaa maltilliseen ulostuloimpedanssiin ZOUT, josta tulee suunnilleen sama kuin RC. Sitten yhteisen peruskokoonpanon osalta sen lähtöimpedanssi, joka katsoo takaisin kollektorin päätelaitteeseen, olisi: ZOUT = RC.
Koska vahvistimen lähtöimpedanssi, joka katsoo takaisin kollektoriterminaaliin, voi mahdollisesti olla hyvin suuri, yhteinen emäspiiri toimii melkein kuin ihanteellinen virtalähde, joka ottaa sisääntulovirran matalan tuloimpedanssin puolelta ja lähettää virran korkean lähtöimpedanssin puolelle. Näin ollen yhteisen pohjan transistorikokoonpanoon viitataan myös nimellä: nykyinen puskuri tai nykyinen seuraaja-kokoonpano ja vastakohta yhteisen kollektorin (CC) kokoonpanolle, johon viitataan nimellä jännitteen seuraaja.
Common Base Amplifier Yhteenveto
Olemme nähneet tässä opetusohjelmassa Common Base Amplifierista, että sen virtavahvistus (alfa) on noin yksi (ykkösen), mutta myös jännitevahvistus, joka voi olla hyvin korkea tyypillisillä arvoilla, jotka vaihtelevat 100: sta yli 2000: een riippuen käytetyn kollektorikuormitusvastuksen RL:n arvosta.
Olemme myös nähneet, että vahvistinpiirin sisääntulo-impedanssi on hyvin matala, mutta ulostuloimpedanssin impedanssilla se voi olla hyvin korkea. Sanoimme myös, että yhteinen perusvahvistin ei käännä tulosignaalia, koska se on ei-invertoiva vahvistinkonfiguraatio.
Tulo-lähtöimpedanssiominaisuuksiensa vuoksi yhteinen perusvahvistinjärjestely on erittäin käyttökelpoinen audio- ja radiotaajuussovelluksissa virtapuskurina, jolla sovitetaan matalaimpedanssinen lähde korkea-impedanssiseen kuormaan, tai yksivaiheisena vahvistimena osana kaskadoitua tai monivaiheista konfiguraatiota, jossa yhtä vahvistinvaihetta käytetään ohjaamaan toista.
