Wzmacniacz ze wspólną bazą jest innym typem konfiguracji tranzystora bipolarnego, (BJT), w którym zacisk bazy tranzystora jest wspólnym zaciskiem dla obu sygnałów wejściowych i wyjściowych, stąd jego nazwa wspólna baza (CB). Konfiguracja wspólnej bazy jest mniej powszechna jako wzmacniacz niż w porównaniu z bardziej popularnymi konfiguracjami wspólnego emitera (CE) lub wspólnego kolektora (CC), ale nadal jest używana ze względu na jej unikalną charakterystykę wejścia/wyjścia.
Aby konfiguracja wspólnej bazy działała jako wzmacniacz, sygnał wejściowy jest przyłożony do zacisku emitera, a sygnał wyjściowy jest pobierany z zacisku kolektora. Tak więc prąd emitera jest również prądem wejściowym, a prąd kolektora jest również prądem wyjściowym, ale ponieważ tranzystor jest urządzeniem trójwarstwowym, z dwoma złączami pn, musi on być prawidłowo spolaryzowany, aby działał jako wzmacniacz o wspólnej bazie. Oznacza to, że złącze baza-emiter jest spolaryzowane do przodu.
Patrz poniższa podstawowa konfiguracja wzmacniacza ze wspólną bazą.
Wzmacniacz o wspólnej bazie wykorzystujący tranzystor NPN
Z podstawowej konfiguracji o wspólnej bazie wynika, że zmienne wejściowe odnoszą się do prądu emitera IE i napięcia baza-emiter, VBE, natomiast zmienne wyjściowe odnoszą się do prądu kolektora IC i napięcia kolektor-baza, VCB.
Ponieważ prąd emitera, IE, jest również prądem wejściowym, wszelkie zmiany w prądzie wejściowym spowodują odpowiednią zmianę w prądzie kolektora, IC. Dla konfiguracji wzmacniacza ze wspólną bazą, wzmocnienie prądowe, Ai jest określone jako iOUT/iIN, które samo w sobie jest określone wzorem IC/IE. Wzmocnienie prądowe dla konfiguracji CB nazywa się Alfa, ( α ).
We wzmacniaczu BJT prąd emitera jest zawsze większy niż prąd kolektora, ponieważ IE = IB + IC, wzmocnienie prądowe (α) wzmacniacza musi być zatem mniejsze niż jeden (jedność), ponieważ IC jest zawsze mniejsze niż IE o wartość IB. Tak więc wzmacniacz CB tłumi prąd, przy czym typowe wartości alfa mieszczą się w zakresie od 0,980 do 0,995.
Zależność elektryczną pomiędzy trzema prądami tranzystorów można przedstawić w taki sposób, aby otrzymać wyrażenia dla alfa, α i Beta, β, jak pokazano na rysunku.
wzmocnienie prądowe wzmacniacza bipolarnego
Więc jeśli wartość Beta standardowego tranzystora bipolarnego junction wynosi 100, to wartość Alfa byłaby dana jako: 100/101 = 0,99.
Wzmacniacz wspólnej bazy Wzmocnienie napięciowe
Ponieważ wzmacniacz wspólnej bazy nie może pracować jako wzmacniacz prądowy (Ai ≅ 1), musi więc mieć możliwość pracy jako wzmacniacz napięciowy. Wzmocnienie napięciowe dla wzmacniacza o wspólnej podstawie jest stosunkiem VOUT/VIN, czyli napięcia kolektora VC do napięcia emitera VE. Innymi słowy, VOUT = VC i VIN = VE.
jako że napięcie wyjściowe VOUT jest rozwijane przez rezystancję kolektora, RC, napięcie wyjściowe musi być zatem funkcją IC, jak z prawa Ohma, VRC = IC*RC. Tak więc każda zmiana w IE będzie miała odpowiednią zmianę w IC.
Wtedy możemy powiedzieć dla wspólnej konfiguracji wzmacniacza bazowego, że:
Jako że IC/IE jest alfa, możemy przedstawić wzmocnienie napięciowe wzmacniacza jako:
Więc wzmocnienie napięciowe jest mniej więcej równe stosunkowi rezystancji kolektora do rezystancji emitera. Jednak w tranzystorze bipolarnym pomiędzy bazą a emiterem znajduje się pojedyncze złącze pn-dioda, co powoduje powstanie tak zwanej dynamicznej rezystancji emitera tranzystora, r’e.
Dla sygnałów wejściowych AC złącze pn-dioda emiter ma efektywną rezystancję małosygnałową daną przez: r’e = 25mV/IE, gdzie 25mV jest napięciem termicznym złącza pn, a IE jest prądem emitera. Zatem wraz ze wzrostem prądu płynącego przez emiter, rezystancja emitera zmniejszy się o proporcjonalną wartość.
Część prądu wejściowego przepływa przez tę wewnętrzną rezystancję złącza baza-emiter do bazy, jak również przez zewnętrznie podłączony rezystor emitera, RE. Przy analizie małych sygnałów te dwie rezystancje są połączone równolegle ze sobą.
Ponieważ wartość r’e jest bardzo mała, a RE jest na ogół znacznie większa, zwykle w zakresie kiloomów (kΩ), wielkość wzmocnienia napięciowego wzmacniacza zmienia się dynamicznie przy różnych poziomach prądu emitera.
Więc jeśli RE ≫ r’e wtedy prawdziwe wzmocnienie napięciowe wzmacniacza o wspólnej bazie będzie wynosić:
Ponieważ wzmocnienie prądowe jest w przybliżeniu równe jeden jako IC ≅ IE, wtedy równanie wzmocnienia napięciowego upraszcza się do:
Więc jeśli na przykład przez złącze emiter-baza płynie prąd 1mA, to jego impedancja dynamiczna wynosiłaby 25mV/1mA = 25Ω. Wzmocnienie woltowe, AV dla rezystancji obciążenia kolektora równej 10kΩ wynosiłoby: 10,000/25 = 400, a im większy prąd, który przepływa przez złącze, tym mniejsza staje się jego rezystancja dynamiczna i tym większe wzmocnienie napięciowe.
Podobnie, im większa wartość rezystancji obciążenia, tym większe wzmocnienie napięciowe wzmacniacza. Jednak w praktycznym układzie wzmacniacza o wspólnej bazie mało prawdopodobne jest zastosowanie rezystora obciążenia większego niż około 20kΩ, a typowe wartości wzmocnienia napięciowego wahają się od około 100 do 2000 w zależności od wartości RC. Zauważ, że wzmocnienie mocy wzmacniacza jest mniej więcej takie samo jak jego wzmocnienie napięciowe.
Jako że wzmocnienie napięciowe wzmacniacza o wspólnej bazie zależy od stosunku tych dwóch wartości rezystancji, wynika z tego, że nie ma inwersji fazy pomiędzy emiterem a kolektorem. Zatem przebiegi na wejściu i wyjściu są ze sobą „w fazie”, co pokazuje, że wzmacniacz o wspólnej podstawie jest wzmacniaczem nieodwracającym.
Wzmocnienie opornościowe wzmacniacza o wspólnej podstawie
Jedną z interesujących właściwości układu wzmacniacza o wspólnej podstawie jest stosunek jego impedancji wejściowej i wyjściowej, co daje początek temu, co jest znane jako wzmocnienie opornościowe wzmacniacza, fundamentalna właściwość, która umożliwia wzmocnienie. Widzieliśmy powyżej, że wejście jest połączone z emiterem, a wyjście z kolektorem.
Pomiędzy wejściem a masą istnieją dwie możliwe równoległe ścieżki oporowe. Jedna przez rezystancję emitera, RE do masy, a druga przez r’e i terminal bazy do masy. Tak więc możemy powiedzieć patrząc na emiter z uziemioną bazą, że: ZIN = RE||r’e.
Ale ponieważ dynamiczna rezystancja emitera, r’e jest bardzo mała w porównaniu do RE (r’e≪RE), wewnętrzna dynamiczna rezystancja emitera, r’e dominuje w równaniu dając w rezultacie niską impedancję wejściową w przybliżeniu równą r’e
Więc dla konfiguracji ze wspólną bazą impedancja wejściowa jest bardzo niska i w zależności od wartości impedancji źródła, RS podłączonego do zacisku emitera, wartości impedancji wejściowej mogą się wahać od 10Ω do 200Ω. Niska impedancja wejściowa układu wzmacniacza o wspólnej podstawie jest jednym z głównych powodów jego ograniczonych zastosowań jako wzmacniacza jednostopniowego.
Impedancja wyjściowa wzmacniacza CB może być jednak wysoka w zależności od rezystancji kolektora użytej do regulacji wzmocnienia napięciowego oraz od podłączonej zewnętrznej rezystancji obciążenia, RL. Jeżeli rezystancja obciążenia jest podłączona do zacisku wyjściowego wzmacniacza, jest ona połączona równolegle z rezystancją kolektora, wtedy ZOUT = RC||RL.
Jeżeli jednak zewnętrznie podłączona rezystancja obciążenia, RL jest bardzo duża w porównaniu z rezystancją kolektora RC, wtedy RC zdominuje równanie równoległe, co spowoduje, że impedancja wyjściowa ZOUT będzie umiarkowana, w przybliżeniu równa RC. Wówczas dla konfiguracji ze wspólną bazą, jego impedancja wyjściowa patrząc wstecz na zacisk kolektora wynosiłaby: ZOUT = RC.
Ponieważ impedancja wyjściowa wzmacniacza patrząc wstecz do zacisku kolektora może być potencjalnie bardzo duża, obwód wspólnej bazy działa prawie jak idealne źródło prądowe pobierając prąd wejściowy ze strony o niskiej impedancji wejściowej i wysyłając prąd do strony o wysokiej impedancji wyjściowej. Tak więc konfiguracja tranzystora ze wspólną bazą jest również określana jako: bufor prądowy lub konfiguracja wtórnika prądowego, i przeciwieństwo konfiguracji wspólnego kolektora (CC), która jest określana jako wtórnik napięciowy.
Wzmacniacz o wspólnej podstawie Podsumowanie
Widzieliśmy w tym tutorialu o wzmacniaczu o wspólnej podstawie, że ma on wzmocnienie prądowe (alfa) około jeden (jedność), ale również wzmocnienie napięciowe, które może być bardzo wysokie z typowymi wartościami od 100 do ponad 2000 w zależności od wartości użytego rezystora obciążenia kolektora RL.
Widzieliśmy również, że impedancja wejściowa obwodu wzmacniacza jest bardzo niska, ale impedancja wyjściowa może być bardzo wysoka. Powiedzieliśmy również, że wspólna podstawa wzmacniacza nie odwraca sygnału wejściowego, ponieważ jest to konfiguracja wzmacniacza nieodwracającego.
Dzięki swojej charakterystyce impedancji wejściowej i wyjściowej, układ wzmacniacza o wspólnej podstawie jest niezwykle użyteczny w zastosowaniach audio i radiowych jako bufor prądowy do dopasowania źródła o niskiej impedancji do obciążenia o wysokiej impedancji lub jako wzmacniacz jednostopniowy jako część konfiguracji kaskadowej lub wielostopniowej, w której jeden stopień wzmacniacza jest używany do wysterowania innego.
.