De Common Base Amplifier is een ander type bipolaire junction transistor, (BJT) configuratie waarbij de basisklem van de transistor een gemeenschappelijke klem is voor zowel de ingangs- als uitgangssignalen, vandaar de naam common base (CB). De gemeenschappelijke basisconfiguratie is minder gebruikelijk als versterker dan de meer populaire gemeenschappelijke emitter- (CE) of gemeenschappelijke collector- (CC) configuraties, maar wordt nog steeds gebruikt vanwege zijn unieke ingangs-/uitgangskarakteristieken.
Om de gemeenschappelijke basisconfiguratie als versterker te laten werken, wordt het ingangssignaal toegepast op de emitterterminal en wordt de uitgang afkomstig van de collectorterminal. De emitterstroom is dus ook de ingangsstroom, en de collectorstroom is ook de uitgangsstroom, maar omdat de transistor een apparaat is met drie lagen en twee pn-juncties, moet de voorspanning correct zijn om te kunnen werken als een versterker met een gemeenschappelijke basis. Dat wil zeggen dat de basis-emitter junctie in voorwaartse biased is.
Beschouw de onderstaande basisconfiguratie van een gemeenschappelijke basisversterker.
Common Base Amplifier using an NPN Transistor
Dan zien we in de basisconfiguratie van de gemeenschappelijke basis dat de ingangsvariabelen betrekking hebben op de emitterstroom IE en de basis-emitterspanning, VBE, terwijl de uitgangsvariabelen betrekking hebben op de collectorstroom IC en de collector-basisspanning, VCB.
Omdat de emitterstroom, IE ook de ingangsstroom is, zal elke verandering in de ingangsstroom een overeenkomstige verandering in de collectorstroom, IC teweegbrengen. Voor een gewone basisversterkerconfiguratie is de stroomversterking, Ai gegeven als iOUT/iIN die zelf wordt bepaald door de formule IC/IE. De stroomversterking voor een CB-configuratie wordt Alpha, ( α ) genoemd.
In een BJT-versterker is de emitterstroom altijd groter dan de collectorstroom als IE = IB + IC, de stroomversterking (α) van de versterker moet daarom kleiner zijn dan één (eenheid) omdat IC altijd kleiner is dan IE door de waarde van IB. De CB-versterker dempt dus de stroom, met typische waarden van alpha variërend van 0,980 tot 0,995.
De elektrische relatie tussen de drie transistorstromen kan worden getoond om de uitdrukkingen voor alpha, α en Beta, β te geven zoals getoond.
Common Base Amplifier Current Gain
Dus als de Beta-waarde van een standaard bipolaire junctietransistor 100 is, dan zou de waarde van Alpha worden gegeven als: 100/101 = 0,99.
Spanningsversterking gemeenschappelijke basisversterker
Omdat de gemeenschappelijke basisversterker niet als een stroomversterker kan werken (Ai ≅ 1), moet hij dus als een spanningsversterker kunnen werken. De spanningsversterking van de gemeenschappelijke basisversterker is de verhouding VOUT/VIN, d.w.z. de collectorspanning VC ten opzichte van de emitterspanning VE. Met andere woorden, VOUT = VC en VIN = VE.
daar de uitgangsspanning VOUT wordt ontwikkeld over de collectorweerstand, RC, moet de uitgangsspanning dus een functie zijn van IC zoals uit de wet van Ohms volgt, VRC = IC*RC. Dus elke verandering in IE zal een overeenkomstige verandering in IC tot gevolg hebben.
Dan kunnen we voor een gewone basisversterkerconfiguratie zeggen dat:
Als IC/IE alfa is, kunnen we de spanningsversterking van de versterker voorstellen als:
Daaruit volgt dat de spanningsversterking min of meer gelijk is aan de verhouding tussen de collectorweerstand en de emitterweerstand. In een bipolaire junctie-transistor bevindt zich tussen de basis- en emitterterminals echter een enkele pn-diodeovergang, die aanleiding geeft tot wat de dynamische emitterweerstand van de transistor wordt genoemd, r’e.
Voor AC-ingangssignalen heeft de emitter-diodeovergang een effectieve weerstand bij een klein signaal die wordt gegeven door: r’e = 25mV/IE, waarbij de 25mV de thermische spanning van de pn-verbinding is en IE de emitterstroom. Dus als de stroom door de emitter toeneemt, zal de emitterweerstand evenredig afnemen.
Een deel van de ingangsstroom vloeit door deze interne basis-emitter junctieweerstand naar de basis en door de extern aangesloten emitterweerstand, RE. Voor analyse van kleine signalen worden deze twee weerstanden parallel geschakeld.
Omdat de waarde van r’e zeer klein is, en RE in het algemeen veel groter, gewoonlijk in het bereik van kilohms (kΩ), verandert de grootte van de spanningsversterking van de versterker dynamisch bij verschillende niveaus van emitterstroom.
Dus als RE ≫ r’e dan is de werkelijke spanningsversterking van de common base versterker:
Omdat de stroomversterking ongeveer gelijk is aan één als IC ≅ IE, vereenvoudigt de vergelijking van de spanningsversterking zich tot slechts:
Dus als er bijvoorbeeld 1 mA stroom door de emitter-basisverbinding loopt, zou de dynamische impedantie 25mV/1mA = 25Ω zijn. De voltversterking, AV voor een collectorbelastingsweerstand van 10kΩ zou zijn: 10.000/25 = 400, en hoe meer stroom door de junctie vloeit, hoe lager zijn dynamische weerstand wordt en hoe hoger de spanningsversterking.
Zo ook, hoe hoger de waarde van de belastingsweerstand, hoe groter de spanningsversterking van de versterker. In een praktische basisversterkerschakeling is het echter onwaarschijnlijk dat een belastingsweerstand groter dan ongeveer 20kΩ wordt gebruikt, waarbij de typische waarden van de spanningsversterking variëren van ongeveer 100 tot 2000, afhankelijk van de waarde van RC. Merk op dat de vermogenswinst van de versterker ongeveer gelijk is aan zijn spanningswinst.
Aangezien de spanningswinst van de gemeenschappelijke basisversterker afhankelijk is van de verhouding van deze twee weerstandswaarden, volgt hieruit dat er geen fase-inversie is tussen de emitter en de collector. De in- en uitgangsgolfvormen zijn dus “in-fase” met elkaar, waaruit blijkt dat de gemeenschappelijke basisversterker een niet-inverterende versterkerconfiguratie is.
Weerstandsversterking van de gemeenschappelijke basisversterker
Een van de interessante eigenschappen van de gemeenschappelijke basisversterkerschakeling is de verhouding tussen de in- en uitgangsimpedanties, die leidt tot wat bekend staat als de weerstandsversterking van de versterker, de fundamentele eigenschap die versterking mogelijk maakt. We hebben hierboven gezien dat de ingang is verbonden met de emitter en de uitgang met de collector.
Tussen de ingang en de aardklem zijn er twee parallelle weerstandswegen mogelijk. Een door de emitterweerstand, RE naar massa en de andere door r’e en de basisklem naar massa. We kunnen dus zeggen, kijkend in de emitter met de basis geaard, dat: ZIN = RE|r’e.
Maar aangezien de dynamische emitterweerstand, r’e zeer klein is in vergelijking met RE (r’e≪RE), overheerst de interne dynamische emitterweerstand, r’e de vergelijking wat resulteert in een lage ingangsimpedantie die ongeveer gelijk is aan r’e
Dus voor de gemeenschappelijke basisconfiguratie is de ingangsimpedantie zeer laag en afhankelijk van de waarde van de bronimpedantie, RS verbonden met de emitterterminal, kunnen de waarden van de ingangsimpedantie variëren van 10Ω tot 200Ω. De lage ingangsimpedantie van de gewone basisversterkerschakeling is een van de belangrijkste redenen voor de beperkte toepassingen ervan als een eentrapsversterker.
De uitgangsimpedantie van de CB-versterker kan echter hoog zijn, afhankelijk van de collectorweerstand die wordt gebruikt om de spanningsversterking te regelen en de aangesloten externe belastingsweerstand, RL. Als een belastingsweerstand over de uitgangsaansluiting van de versterker wordt geschakeld, is deze effectief parallel geschakeld met de collectorweerstand, dan is ZOUT = RC|RL.
Maar als de extern aangesloten belastingsweerstand, RL erg groot is vergeleken met de collectorweerstand RC, dan zal RC de parallelle vergelijking domineren, wat resulteert in een matige uitgangsimpedantie ZOUT, die ongeveer gelijk wordt aan RC. Voor een configuratie met gemeenschappelijke basis zou de uitgangsimpedantie, terugkijkend naar de collectorterminal, dan zijn ZOUT = RC.
Aangezien de uitgangsimpedantie van de versterker, terugkijkend in de collectorterminal, zeer groot kan zijn, werkt de gemeenschappelijke basis-schakeling bijna als een ideale stroombron die de ingangsstroom van de lage ingangsimpedantie-zijde neemt en naar de hoge uitgangsimpedantie-zijde stuurt. Aldus wordt de gemeenschappelijke basistransistorconfiguratie ook bedoeld als een: huidige buffer of huidige volgconfiguratie, en het tegengestelde van de gemeenschappelijke-collector (CC) configuratie die een spanningsvolger wordt genoemd.
Samenvatting gemeenschappelijke basisversterker
We hebben hier in deze tutorial over de gemeenschappelijke basisversterker gezien dat deze een stroomversterking (alpha) van ongeveer één (unity) heeft, maar ook een spanningsversterking die zeer hoog kan zijn met typische waarden variërend van 100 tot meer dan 2000, afhankelijk van de waarde van de gebruikte collectorbelastingsweerstand RL.
We hebben ook gezien dat de ingangsimpedantie van de versterkerschakeling zeer laag is, maar dat de uitgangsimpedantie zeer hoog kan zijn. We hebben ook gezegd dat de gemeenschappelijke basisversterker het ingangssignaal niet inverteert, omdat het een niet-inverterende versterkerconfiguratie is.
Dankzij zijn ingangs- uitgangsimpedantiekarakteristieken is de gemeenschappelijke basisversterkerconfiguratie uiterst nuttig in audio- en radiofrequentietoepassingen als stroombuffer om een bron met lage impedantie aan te passen aan een belasting met hoge impedantie of als eentrapsversterker als onderdeel van een cascoded of meertrapsconfiguratie waarbij één versterkertrap wordt gebruikt om een andere aan te drijven.
