Gemensam basförstärkare är en annan typ av BJT-konfiguration (bipolär junction transistor) där transistorens basterminal är en gemensam terminal för både ingångs- och utgångssignalerna, därav namnet gemensam bas (CB). Konfigurationen med gemensam bas är mindre vanlig som förstärkare jämfört med de mer populära konfigurationerna med gemensam emitter (CE) eller gemensam kollektor (CC), men används fortfarande på grund av dess unika egenskaper för ingångs- och utgångssignaler.
För att konfigurationen med gemensam bas ska fungera som förstärkare appliceras ingångssignalen på emitterterminalen och utgångssignalen tas från kollektorterminalen. Emitterströmmen är alltså också ingångsströmmen och kollektorströmmen är också utgångsströmmen, men eftersom transistorn är en treskikts, två pn-junction-enhet måste den vara korrekt polariserad för att den ska fungera som en förstärkare med gemensam bas. Det vill säga att bas-emitter-övergången är framåtpolad.
Konsultera den grundläggande konfigurationen av en förstärkare med gemensam bas nedan.
Gemensam basförstärkare med hjälp av en NPN-transistor
Då kan vi se från den grundläggande konfigurationen för gemensam bas att ingångsvariablerna avser emitterströmmen IE och basemitterspänningen, VBE, medan utgångsvariablerna avser kollektorsströmmen IC och kollektorbasspänningen, VCB.
Då emitterströmmen IE också är ingångsströmmen, kommer alla förändringar av ingångsströmmen att skapa en motsvarande förändring av kollektorströmmen IC. För en gemensam basförstärkarkonfiguration ges strömförstärkningen Ai som iOUT/iIN som i sin tur bestäms av formeln IC/IE. Strömförstärkningen för en CB-konfiguration kallas Alpha, ( α ).
I en BJT-förstärkare är emitterströmmen alltid större än kollektorströmmen eftersom IE = IB + IC, förstärkarens strömförstärkning (α) måste därför vara mindre än ett (enhet) eftersom IC alltid är mindre än IE med värdet av IB. CB-förstärkaren dämpar alltså strömmen, med typiska värden för alfa mellan 0,980 och 0,995.
Det elektriska förhållandet mellan de tre transistorströmmarna kan visas för att ge uttrycken för alfa, α och Beta, β enligt nedan.
Gemensam basförstärkarströmförstärkning
Därmed, om Betavärdet för en standard bipolär junctionstransistor är 100, skulle värdet för Alpha ges som: 100/101 = 0,99.
Spänningsförstärkare med gemensam bas spänningsförstärkning
Då förstärkaren med gemensam bas inte kan fungera som en strömförstärkare (Ai ≅ 1) måste den därför ha förmågan att fungera som en spänningsförstärkare. Spänningsförstärkningen för common base-förstärkaren är förhållandet VOUT/VIN, det vill säga kollektorspänningen VC till emitterspänningen VE. Med andra ord, VOUT = VC och VIN = VE.
Eftersom utgångsspänningen VOUT utvecklas över kollektormotståndet RC måste utgångsspänningen därför vara en funktion av IC enligt Ohms lag, VRC = IC*RC. Så varje förändring i IE kommer att ha en motsvarande förändring i IC.
Då kan vi för en vanlig basförstärkarkonfiguration säga att:
Som IC/IE är alfa, kan vi presentera förstärkarens spänningsförstärkning som:
Därmed är spänningsförstärkningen mer eller mindre lika med förhållandet mellan kollektormotståndet och emittermotståndet. Det finns dock en enda pn-diodförbindelse i en bipolär junctiontransistor mellan bas- och emitterterminaler vilket ger upphov till vad som kallas transistorens dynamiska emittermotstånd, r’e.
För växelströmsingångssignaler har emitterdiodförbindelsen ett effektivt motstånd för små signaler som ges av följande: r’e = 25mV/IE, där 25mV är den termiska spänningen i pn-förbindelsen och IE är emitterströmmen. Så när strömmen som flyter genom emittern ökar kommer emittermotståndet att minska proportionellt.
En del av ingångsströmmen flyter genom detta interna motstånd i bas-emitterförbindelsen till basen samt genom det externt anslutna emittermotståndet, RE. För analys av små signaler är dessa två motstånd kopplade parallellt med varandra.
Då värdet på r’e är mycket litet och RE i allmänhet är mycket större, vanligen i kilohms (kΩ)-området, ändras storleken på förstärkarens spänningsförstärkning dynamiskt med olika nivåer av emitterströmmen.
Så om RE ≫ r’e så kommer den verkliga spänningsförstärkningen för förstärkaren med gemensam bas att vara:
Omför att strömförstärkningen är ungefär lika med ett som IC ≅ IE, förenklas spänningsförstärkningsjämförelsen till just:
Så om till exempel 1 mA ström flödar genom emitter-basförbindelsen skulle dess dynamiska impedans vara 25mV/1mA = 25Ω. Voltförstärkningen, AV för ett kollektorbelastningsmotstånd på 10kΩ skulle vara: Ju mer ström som flödar genom korsningen, desto lägre blir dess dynamiska motstånd och desto högre blir spänningsförstärkningen.
På samma sätt gäller att ju högre värdet på belastningsmotståndet är, desto större blir förstärkarens spänningsförstärkning. Det är dock osannolikt att man i en praktisk förstärkarkrets med gemensam bas skulle använda ett belastningsmotstånd som är större än cirka 20kΩ med typiska värden för spänningsförstärkning från cirka 100 till 2000 beroende på värdet på RC. Observera att förstärkarens effektförstärkning är ungefär densamma som dess spänningsförstärkning.
Då spänningsförstärkningen hos förstärkaren med gemensam bas är beroende av förhållandet mellan dessa två resistansvärden, följer det därför att det inte finns någon fasomvändning mellan emittern och kollektorn. Ingångs- och utgångsvågformerna är således ”i fas” med varandra, vilket visar att common base-förstärkaren är en icke-inverterande förstärkarkonfiguration.
Common Base Amplifier Resistance Gain
En av de intressanta egenskaperna hos common base-förstärkarkretsen är förhållandet mellan dess ingångs- och utgångsimpedanser, vilket ger upphov till vad som kallas förstärkarens Resistance Gain, den grundläggande egenskapen som gör förstärkning möjlig. Vi har sett ovan att ingången är ansluten till emittern och att utgången tas från kollektorn.
Mellan ingången och jordterminalen finns det två möjliga parallella resistiva banor. Den ena genom emittermotståndet, RE till jord och den andra genom r’e och basterminalen till jord. Således kan vi säga när vi tittar in i emittern med basen jordad att: ZIN = RE||r’e.
Men eftersom det dynamiska emittermotståndet r’e är mycket litet jämfört med RE (r’e≪RE) dominerar det interna dynamiska emittermotståndet r’e e ekvationen, vilket resulterar i en låg ingångsimpedans som är ungefär lika stor som r’e
För den gemensamma baskonfigurationen är alltså ingångsimpedansen mycket låg och beroende på värdet på källimpedansen RS, som är ansluten till emitterterminalen, kan ingångsimpedansvärdena variera från mellan 10Ω och 200Ω. Den låga ingångsimpedansen hos förstärkarkretsen med gemensam bas är en av huvudorsakerna till dess begränsade tillämpningar som en enstegsförstärkare.
Utgångsimpedansen hos CB-förstärkaren kan dock vara hög beroende på det kollektormotstånd som används för att styra spänningsförstärkningen och det anslutna externa belastningsmotståndet, RL. Om ett belastningsmotstånd är anslutet över förstärkarens utgångsterminal är det effektivt anslutet parallellt med kollektormotståndet, då ZOUT = RC||RL.
Men om det externt anslutna belastningsmotståndet, RL, är mycket stort jämfört med kollektormotståndet RC, kommer RC att dominera parallellekvationen, vilket resulterar i en måttlig utgångsimpedans ZOUT, som blir ungefär lika med RC. För en konfiguration med gemensam bas blir då dess utgångsimpedans när man tittar tillbaka på kollektorterminalen: ZOUT = RC.
Eftersom förstärkarens utgångsimpedans när man tittar tillbaka på kollektorterminalen potentiellt kan vara mycket stor, fungerar kretsen med gemensam bas nästan som en idealisk strömkälla som tar inströmmen från den sida med låg ingångsimpedans och skickar strömmen till den sida med hög utgångsimpedans. Därför kallas transistorkonfigurationen med gemensam bas också för en strömbuffert eller strömföljare, och motsatsen till konfigurationen med gemensam kollektor (CC) som kallas för en spänningsföljare.
Sammanfattning av Common Base Amplifier
Vi har sett här i denna handledning om Common Base Amplifier att den har en strömförstärkning (alfa) på ungefär ett (enhet), men också en spänningsförstärkning som kan vara mycket hög med typiska värden som sträcker sig från 100 till över 2 000 beroende på värdet på det använda kollektorbelastningsmotståndet RL.
Vi har också sett att förstärkarkretsens ingångsimpedans är mycket låg, men att utgångsimpedansen kan vara mycket hög. Vi har också sagt att förstärkaren med gemensam bas inte inverterar ingångssignalen eftersom det är en icke-inverterande förstärkarkonfiguration.
På grund av dess egenskaper för ingångs- och utgångsimpedans är den gemensamma basförstärkarkonfigurationen extremt användbar i ljud- och radiofrekvenstillämpningar som en strömbuffert för att matcha en källa med låg impedans till en belastning med hög impedans eller som en enstegsförstärkare som en del av en kaskadkonfiguration eller en flerstegskonfiguration där ett förstärkarsteg används för att driva ett annat.
.