Каскад с общей базой | Основы электроакустики

 

Каскад с общей базой

Различают три основные схемы включения транзисто­ра в усилительных каскадах — с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором . Общий электрод (в данном случае база) по переменному току должен быть заземлен Часть электронов теряется в базе, например, вследст­вие рекомбинации (взаимной нейтрализации противопо­ложных по знаку зарядов) электронов и дырок. Эти потери учитываются коэффициентом передачи тока эмиттера а. Так что при включении транзистора с общей базой посто­янный ток коллектора оказывается равным где 1К0 — неуправляемый ток коллектора (или обратный ток коллекторного перехода). Ток базы при этом равен 1Б = 1Э — 1к, т. е. мал, поскольку при а близком к 1 ток коллектора не намного меньше тока эмиттера.Если переменное напряжение на входе усилительного каскада на биполярном транзисторе UBX не равно нулю, то наряду с постоянной составляющей тока эмиттера появля­ется его переменная составляющая. В результате появля­ется и переменная составляющая тока коллектора. Проте­кая через резистор RK, она создает на нем переменную составляющую выходного напряжения. Если сопротивле­ние RK велико, то она может в сотни и тысячи раз превосходить UBX. Таким образом, каскад с общей базой, не усиливая ток, может усиливать напряжение и соответ­ственно и мощность.Итак, усиление по напряжению в каскаде с общей базой обусловлено тем, что переменная составляющая входного тока переносится из низкоомной цепи эмиттера в намного более высокоомную цепь коллектора. Так что коэффициент усиления оказывается близким к отноше­нию сопротивлений коллекторной и эмиттерной цепей. При этом сопротивление эмиттерной цепи (входное со­противление) очень мало, поскольку эмиттерный переход открыт. Примерно оно равно <рт/1э, где (рт — температур­ный потенциал (его значение при комнатных температу­рах порядка 25 мВ, так что при токе эмиттера 1э = 1 мА входное сопротивление будет равно всего 25 Ом). К сожалению, из-за конечного времени пролета носи­телями области базы у каскада с общим эмиттером усиле­ние на высоких частотах начинает снижаться. Оно пони­жается на 3 дБ, если частота усиливаемого сигнала достигает частоты fa (эта частота называется граничной частотой транзистора в схеме с общей базой). Многие современные транзисторы имеют fa порядка сотен МГц и выше. Емкос­ти монтажа и самого транзистора могут также ухудшить усиление на высоких частотах.

За что мы так не любим транзисторный усилитель с общей базой  Мифом № 1 является то, что довольно сложно организовать цепи питания такого каскада, вплоть до того,
что требуется дополнительный источник питания. Мало того, что такое мнение бытует среди радиолюбителей, так оно усиленно поддерживается в технической литературе. Откройте учебник с описанием работы каскада с ОБ. Первое, что вы увидите, так это горизонтальное расположение транзистора с двумя источниками питания: один в коллекторной цепи, другой в эмиттерной. После прочтения такого материала сразу пропадает какое-либо желание иметь дело с этим каскадом. Развеем этот миф. На верхнем рисунке вы видите знакомую вам схему с общим эмиттером. Легким движением мыши поворачиваем его вокруг оси и преобразуем в каскад с общей базой. По постоянному току все цепи остаются прежними. Базу по переменному току заземляем с помощью конденсатора Сф, входной сигнал подаем на эмиттер, выходной остается на прежнем месте. Каскад с общей базой готов, никаких трудностей с питанием не возникло, тем более с двумя источниками.  С включением транзистора мы разобрались, теперь приступим к изучению его работы, где мифов также достаточно.

Как же работает усилитель с общей базой?  Рассмотрим упрощенную схему включения транзистора с общей базой. Направления токов показаны условно, символизируя, что вход —  это эмиттер, выход — коллектор, часть тока ответвляется в базу.
Сразу оговорю упрощения и допущения. Обратные токи переходов, ввиду их малости, я не рассматриваю. Для понимания принципа работы и инженерных расчетов это приемлемо. Коэффициент передачи тока для каскада с общей базой меньше единицы, т.к. часть эмиттерного тока ответвляется в базу: Iэ — Iб = Iк. Соотношение токов имеет величину Iк = α * Iэ , где α< 1 -коэффициент передачи по току для ОБ.
В современных транзисторах коэффициент α близок к единице (0.98 — 0.99), поэтому в практических расчетах можно считать Iэ = Iк.  Отсутствие усиления по току совершенно не мешает получить от такого каскада усиление по напряжению, причем, немалое. Существует ещё один миф, что входное сопротивление каскада определяется резистором Rэ , который обязательно должен иметь маленький номинал.  Но это не так. Входным током каскада является ток эмиттера транзистора, поэтому входное сопротивление в основном определяется  сопротивлением эмиттерного перехода rэ = 25 /Iэ = 25Ом при токе 1мА (собственное сопротивление базы транзистора rб вносит небольшой вклад).
Ток, протекая от входной цепи к выходной, практически не изменяется, поэтому, на резисторах rэ и Rк, он создает падения напряжения пропорциональные величинам этих сопротивлений. Если Rк = 3кОм, то отношение Ku = Rк /rэ составит более 100 — это и есть коэффициент усиления по напряжению.   Таким образом, недостатками каскада являются низкое входное сопротивление и отсутствие усиления по току, но более высокая граничная частота усиления и большее выходное сопротивление. Также каскад имеет более высокую линейность по сравнению с ОЭ. Не верьте утверждениям некоторых писателей, что каскад с общей базой имеет низкое выходное сопротивление в сравнении с другими схемами.
Практические соображения по толкованию работы каскада (усилителя) с общей базой
Для работы n-p-n транзистора необходимо, чтобы потенциал базы был положительным по отношению к эмиттеру, поэтому для открытия транзистора надо эмиттер «утянуть» в минус, т.е входное напряжение должно быть отрицательным.  Проанализируем работу каскада на постоянном токе. Эмиттер транзистора с ОБ представляет собой точку с очень низким (динамическим) входным сопротивлением (около 25 Ом при токе 1мА). Поэтому можно принять, что напряжение в ней практически не меняется при изменении входного тока, (этакий виртуальный 0).
В связи с этим, предлагаю рассматривать каскад с ОБ как преобразователь ток-напряжение. Преобразование входного сигнала в выходной происходит как бы в два этапа:
— Сначала генерируем входной ток в эмиттер Iвх = (Uвх- 0.6) /Rэ,
— Затем в коллекторной нагрузке получаем падение напряжения, обусловленное этим током Uвых = Iвх * Rк (мы приняли, что Iвх = Iвых).  Не забываем, что при протекании входного тока напряжение на эмиттере будет равно прямому падению напряжения на переходе — 0.6 В. В исходном состоянии транзистор закрыт, напряжение на коллекторе равно Uпит. При подаче на вход отрицательного напряжения транзистор начинает открываться, через него протекает ток, который создает падение напряжения на коллекторном резисторе. Потенциал коллектора понижается и в пределе станет равным 0. Максимальный ток транзистора при Uк = 0 составляет: Iмакс = Uпит /Rк. Сделаем конкретный пример расчета для постоянного тока: Rэ = 1кОм (Rэ >> rэ), Rк = 10кОм, Uвх = 1В .  Входной ток равен Iвх = Iэ = (Uвх-0.6) /Rэ = 1-0.6/1 = 0.4мА. Т.к. ток коллектора равен току эмиттера, то изменение напряжения на коллекторном резисторе составит: Uк = Rк * Iк = Rк * Iэ = 10*0. 4 = 4В.  Коэффициент усиления по постоянному напряжению получился равен 4. В данном случае входным сопротивлением каскада является Rэ = 1кОм. Уменьшая это сопротивление, мы увеличим входной ток, который вызывет увеличение выходного тока и выходного напряжения на нагрузке.
Этот пример демонстрирует принцип расчета и понимания работы каскада с ОБ, который оказался не так страшен, как нам его малюют.

Усилитель с общей базой для переменного сигнала Теперь нам легче понять работу усилителя на переменном сигнале. Для усиления переменного напряжения необходимо вывести транзистор на линейный участок рабочей характеристики. На рисунке 2 показаны цепи смещения транзистора, с помощью которых задается режим по постоянному току. Расчет их ничем не отличается от расчетов стандартного усилителя с ОЭ. Ток покоя Iо через транзистор устанавливается в пределах нескольких миллиампер. Переменный сигнал подается в эмиттер через конденсатор. У коллекторного тока транзистора появляется переменная составляющая, т. е. ток в некоторых пределах изменяется относительно тока покоя согласно изменениям входного напряжения. Проведем небольшие эксперименты с усилителем. Рассмотрим коэффициент передачи каскада от точки 1 до выхода с коллектора. В качестве источника сигнала возьмем генератор сигналов звуковой частоты ГНЧ с низким выходным сопротивлением, менее 100 Ом. Выходное напряжение установим 1В.  В качестве Rг поставим внешний резистор 1 кОм. В нагрузке резистор Rк = 10кОм. Для источника сигнала входным сопротивлением каскада является сумма Rг и rэ, т.к. они включены последовательно. Входной ток от источника сигнала равен Iвх = Iэ = Uг /(Rг + rэ) = . Uг /Rг, т.к.  rэ — мало. Выходное напряжение при этом составит: Uвых = Rк * Iк = Rк * α*Iэ = Rк * α* Uг /Rг.  Принимая α = 1, получим Uвых = Uг * Rк /Rг.  Коэффициент усиления равен Ku = Uвых /Uг = Rк /Rг = 10, тогда Uвых = 10 В.  Заглянем поглубже и выясним роль входного сопротивления транзистора rэ, ибо нам все уши прожужжали о низком входном сопротивлении каскада с ОБ. Посмотрим осциллографом, что происходит в точке 2. Мы обнаружим, что там присутствует весьма маленький синусоидальный сигнал, в нашем случае  25 мВ. Величина напряжения сигнала обусловлена делителем напряжения, образованным Rг и rэ: 1В * 25/1000 = 25мВ. Каким образом сигнал на выходе достигает величины в несколько вольт? Это происходит по той причине, что каскад имеет внушительный «собственный»  коэффициент усиления  по напряжению (от точки 2 до коллектора), определяемый отношением нагрузочного сопротивления и входного сопротивления транзистора:  Ku = Rк /rэ = 10000/25 = 400, тогда Uвых = Ku * Uвх = 25 * 400 = 10000 мВ или 10 В. Мы получили тот же результат, что и выше. Делаем вывод:
Результаты исследования усилителя с ОБ совпадают с результатами для каскада с ОЭ. Коэффициент усиления по переменному напряжению определяется отношением коллекторного и эмиттерного (в данном случае Rг) резисторов и не зависит от внутренних параметров транзистора при Rг > rэ.

Усилительный каскад с общей базой

Добавлено 6 октября 2017 в 12:14

Последний тип схемы усилителя на биполярном транзисторе (рисунок ниже), который мы должны изучить, это схема с общей базой. Эта конфигурация сложнее двух предыдущих и менее распространена из-за своих странных рабочих характеристик.

Усилитель с общей базой (стрелками показаны направления движения потоков электронов)

Она называется схемой с общей базой, поскольку (игнорируя источники питания постоянного напряжения) источник сигнала и нагрузка делят между собой вывод базы как общую точку (рисунок ниже).

Усилитель с общей базой: вход между эмиттером и базой, выход между коллектором и базой

Возможно, наиболее яркой характеристикой этого типа включения транзистора является то, что источник входного сигнала обеспечивать полный ток эмиттера транзистора, о чём свидетельствуют толстые стрелки на первой иллюстрации. Как известно, ток эмиттера больше, чем любой другой ток в транзисторе, так как является суммой токов базы и коллектора. В последних двух типах усилительных каскадов источник сигнала был подключен к выводу базы транзистора, таким образом, работая на минимально возможном токе.

Поскольку в этой схеме входной ток превышает все другие токи, включая выходной ток, коэффициент усиления по току на самом деле меньше 1 (обратите внимание, как R_нагр подключен к коллектору, тем самым пропуская через себя немного меньший ток, чем источник сигнала). Другими словами, эта схема ослабляет

ток, а не усиливает его. В схемах с общим эмиттером и общим коллектором из всех параметров транзистора с усилением тесно был связан β. В схеме с общей базой нам нужен другой основной параметр транзистора: отношение тока коллектора к току эмиттера, который представляет собой дробное число, всегда меньше 1. Это дробное значение для любого транзистора называется коэффициентом α (альфа).

Поскольку данная схема, очевидно, не может повысить ток сигнала, было бы разумным ожидать, что она увеличит напряжение сигнала. Моделирование SPICE схемы на рисунке ниже подтвердит это предположение.

Схема с общей базой для SPICE анализа по постоянному току

common-base amplifier
vin 0 1
r1 1 2 100
q1 4 0 2 mod1
v1 3 0 dc 15
rload 3 4 5k
.model mod1 npn
.dc vin 0.6 1.2 .02
.plot dc v(3,4)
.end

Усилитель с общей базой: график зависимости выходного напряжения от входного напряжения

Обратите внимание, что выходное напряжение изменяется практически от нуля (отсечка) до 15,75 вольт (насыщение), при этом входное напряжение меняется от 0,6 вольта до 1,2 вольта. Фактически, график выходного напряжения не показывает роста примерно до 0,7 вольта на входе и прекращает расти (выпрямляется) примерно при 1,12 вольта на входе. Это показывает довольно большой коэффициент усиления по напряжению с интервалом выходных напряжений 15,75 вольт и интервалом входных напряжений всего 0,42 вольт: коэффициент усиления составляет 37,5 раз, или 31,48 дБ. Также обратите внимание на то, как при насыщении выходное напряжение (измеренное на R

нагр) на самом деле превышает напряжение источника питания (15 вольт) из-за эффекта последовательного добавления источника входного напряжения.

Второй SPICE анализ модифицированной схемы (рисунок ниже) с источником сигнала переменного напряжения (и постоянным напряжением смещения) говорит о том же: о высоком коэффициенте усиления по напряжению.

Схема с общей базой для SPICE анализа по переменному току

 common-base amplifier
vin 5 2 sin (0 0.12 2000 0 0)
vbias 0 1  dc 0.95
r1 2 1 100
q1 4 0 5 mod1
v1 3 0 dc 15
rload 3 4 5k
. model mod1 npn
.tran 0.02m 0.78m
.plot tran v(5,2) v(4)
.end

Как вы можете видеть, входной и выходной сигналы на рисунке ниже синфазны друг с другом. Это говорит о том, что усилитель с общей базой является неинвертирующим.

Усилительный каскад с общей базой: осциллограммы входного и выходного напряжений

SPICE анализ по переменному току в таблице ниже на одной частоте 2 кГц предоставляет данные о входном и выходном напряжениях для расчета коэффициента усиления.

AC анализ схемы с общей базой на частоте 2 кГц: список соединений и выходные данные

common-base amplifier
vin 5 2  ac 0.1 sin
vbias 0 1  dc 0.95
r1 2 1 100
q1 4 0 5 mod1
v1 3 0 dc 15    
rload 3 4 5k    
.model mod1 npn 
.ac dec 1 2000 2000
.print ac vm(5,2) vm(4,3) 
.end

frequency       mag(v(5,2))     mag(v(4,3))
--------------------------------------------
0.000000e+00    1.000000e-01    4.273864e+00

Значения напряжений из второго анализа (таблица выше) показывают коэффициент усиления по напряжению 42,74 (4,274 В / 0.

1 В), или 32,617 дБ:

\[A_V = { V_{вых} \over V_{вх} }\]

\[A_V = { 4,274 В \over 0,10 В }\]

\[A_V = 42,74\]

\[A_{V(дБ)} = 20 \log A_{V(раз)}\]

\[A_{V(дБ)} = 20 \log 42,74\]

\[A_{V(дБ)} = 32,62 дБ\]

Вот еще один вид схемы с общей базой (рисунок ниже), на которой видны фазы и смещения по постоянному напряжению для разны сигналов в только что промоделированной схеме.

Соотношения фаз и смещений в усилителе на NPN транзисторе с общей базой

То же самое для PNP транзистора (рисунок ниже).

Соотношения фаз и смещений в усилителе на PNP транзисторе с общей базой

Для схемы усилителя с общей базой определить заранее коэффициент усиления по напряжению довольно сложно, что связано с аппроксимацией поведения транзистора, которое трудно измерить напрямую. В отличие от других типов усилительных схема, где коэффициент усиления по напряжению либо устанавливается соотношением двух резисторов (в схеме с общим эмиттером), либо фиксировался на неизменном значении (схема с общим коллектором), коэффициент усиления по напряжению в схеме с общей базой зависит во многом от величины напряжения смещения входного сигнала.

Как выясняется, внутреннее сопротивление транзистора между эмиттером и базой играет важную роль в определении коэффициента усиления по напряжению, и это сопротивление изменяется в зависимости от величины тока, протекающего через эмиттер.

Хотя это явление трудно объяснить, его довольно легко продемонстрировать с помощью компьютерного моделирования. Я собираюсь запустить несколько SPICE моделирований схемы усилителя с общей базой (предыдущий рисунок), слегка изменив постоянное напряжение смещения (vbias в коде ниже), оставив теми же амплитуду входного сигнала переменного напряжения и все остальные параметры схемы. Когда в разных моделированиях коэффициент усиления по напряжению будет меняться, это будет заметно по разным амплитудам выходного напряжения.

Несмотря на то, что эти анализы будут проводиться в режиме “

transfer function” (коэффициент передачи), каждый из них был сначала проверен в режиме временного анализа (построен график напряжения в зависимости от времени), чтобы гарантировать, что вся синусоида сигнала была воспроизведена точно, а не «обрезана» из-за неправильного смещения. Смотрите «*.tran 0.02m 0.78m» в коде ниже, это «закомментирование» оператора временного анализа. Вычисление коэффициента усиления не может основываться на сигналах искаженной формы. SPICE может для нас рассчитать коэффициент усиления небольшого сигнала постоянного напряжения с помощью оператора « *.tf v(4) vin«. Выходное напряжение – это v(4), а входное напряжение – это vin.

common-base amp vbias=0.85V
vin 5 2  sin (0 0.12 2000 0 0)
vbias 0 1  dc 0.85
r1 2 1 100      
q1 4 0 5 mod1   
v1 3 0 dc 15    
rload 3 4 5k    
.model mod1 npn 
*.tran 0.02m 0.78m
.tf v(4) vin
.end

common-base amp current gain
Iin 55 5 0A
vin 55 2  sin (0 0.12 2000 0 0)
vbias 0 1  dc 0.8753
r1 2 1 100      
q1 4 0 5 mod1   
v1 3 0 dc 15    
rload 3 4 5k    
.model mod1 npn 
*.tran 0.02m 0.78m
.tf I(v1) Iin
.end
Transfer function information:
transfer function = 9.
  900990e-01
iin input impedance = 9.900923e+11
v1 output impedance = 1.000000e+20

Список соединений SPICE (слева): Схема усилителя с общей базой, функция передачи (коэффициент усиления по напряжению) для различных постоянных напряжений смещения. Обратите внимание на оператор .tf v(4) vin.
Список соединений SPICE (справа): Схема усилителя с общей базой, коэффициент усиления по току; функция передачи для коэффициента усиления по постоянному току равна I(v1)/Iin. Обратите внимание на оператор .tf I(v1) Iin

Командная строка spice -b filename.cir благодаря оператору .tf выводит следующие данные: transfer_function (коэффициент передачи), output_impedance (выходное сопротивление) и input_impedance (входное сопротивление). Сокращенный вывод команды, запущенной для напряжений смещения vbias0. 85, 0.90, 0.95, 1.00 вольт, приведен ниже

Вывод SPICE: коэффициент передачи схемы с общей базой:

Circuit: common-base amp vbias=0.85V        // напряжение смещения 0,85 вольта
transfer_function = 3.756565e+01            // коэффициент передачи
output_impedance_at_v(4) = 5.000000e+03     // выходное сопротивление
vin#input_impedance = 1.317825e+02          // входное сопротивление
 
Circuit: common-base amp vbias=0.8753V Ic=1 mA  // напряжение смещения 0,8753 вольта
Transfer function information:
transfer_function = 3.942567e+01            // коэффициент передачи
output_impedance_at_v(4) = 5.000000e+03     // выходное сопротивление
vin#input_impedance = 1.255653e+02          // входное сопротивление
 
Circuit: common-base amp vbias=0.9V         // напряжение смещения 0,9 вольта
transfer_function = 4.079542e+01            // коэффициент передачи
output_impedance_at_v(4) = 5.000000e+03     // выходное сопротивление
vin#input_impedance = 1. 213493e+02          // входное сопротивление
 
Circuit: common-base amp vbias=0.95V        // напряжение смещения 0,95 вольта
transfer_function = 4.273864e+01            // коэффициент передачи
output_impedance_at_v(4) = 5.000000e+03     // выходное сопротивление
vin#input_impedance = 1.158318e+02          // входное сопротивление
 
Circuit: common-base amp vbias=1.00V        // напряжение смещения 1,00 вольт
transfer_function = 4.401137e+01            // коэффициент передачи
output_impedance_at_v(4) = 5.000000e+03     // выходное сопротивление
vin#input_impedance = 1.124822e+02          // входное сопротивление

Тенденция в списке выше должна быть очевидна. С увеличением постоянного напряжения смещения также увеличивается и коэффициент усиления по напряжению (transfer_function). Мы видим, что коэффициент усиления по напряжению увеличивается, потому что каждео последующее моделирование (vbias = 0.85, 0. 8753, 0.90, 0.95, 1.00 В) дает больший коэффициент усиления (transfer_function = 37.6, 39.4 40.8, 42.7, 44.0) соответственно. Эти изменения во многом обусловлены незначительными изменениями напряжения смещения.

Последние три строки в списке соединений выше (справа) показывают коэффициент усиления по току I(v1)/Iin = 0,99 (последние две строки выглядят неправильными). Это имеет смысл для β=100; α= β/(β+1), α=0.99=100/(100-1). Это сочетание низкого коэффициента усиления по току (всегда меньше 1) и несколько непредсказуемого коэффициента усиления по напряжению говорит не в пользу схемы с общей базой, оставляя ей лишь несколько вариантов практических применений.

Эти несколько приложений включают в себя радиочастотные усилители. База, посаженная на корпус, помогает защитить входной сигнал на эмиттере от входного сигнала на коллекторе, предотвращая нестабильность в радиочастотных усилителях. Схема с общей базой может использоваться на более высоких частотах, чем схемы с общим эмиттером и общим коллектором. Смотрите раздел «Радиочастотный усилитель мощности 750 мВт класса C с общей базой» в главе 9. Более сложную схему можно увидеть в разделе «Усилитель малых сигналов класса A с общей базой и высоким коэффициентом усиления» в главе 9.

Подведем итоги:

• Транзисторные усилители с общей базой называются так, потому что точки подачи входного напряжения и снятия выходного напряжения совместно используют вывод базы транзистора (игнорируя все источники питания).
• Коэффициент усиления по току усилителя с общей базой всегда меньше 1. Коэффициент усиления по напряжению зависит от входных и выходных сопротивлений, а также от внутреннего сопротивления перехода эмиттер-база, которое может измениться при изменении постоянного напряжения смещения. Достаточно сказать, коэффициент усиления по напряжению у усилителя с общей базой может быть очень высоким.
• Отношение тока коллектора транзистора к току эмиттера называется коэффициентом α. Значение α для любого транзистора всегда меньше единицы.

Оригинал статьи:

• The Common-base Amplifier

Теги

Биполярный транзисторКаскад с общей базойКоэффициент усиления по напряжениюКоэффициент усиления по токуОбучениеЭлектроника

Назад

Оглавление

Вперед

Общая базовая схема и характеристики транзистора

»Примечания по электронике

Конфигурация усилителя с общей базой не используется широко, за исключением высокочастотных усилителей, где она имеет некоторые явные преимущества.

---

Учебное пособие по проектированию схем транзисторов Включает:
Расчет схем транзисторов Конфигурации цепи Общий эмиттер Схема с общим эмиттером Повторитель эмиттера Общая база

См. также: Типы транзисторных схем

---

Усилитель с общей базой наименее широко используется из трех конфигураций транзисторных усилителей. Конфигурации с общим эмиттером и общим коллектором (эмиттерный повторитель) используются гораздо шире, потому что их характеристики, как правило, более полезны.

Однако конфигурация усилителя с общей базой имеет свои преимущества в ряде случаев, когда необходим низкий входной импеданс.

Эта конфигурация схемы также предлагает низкий уровень входного и выходного импеданса, а также подходит для ряда приложений проектирования радиочастотных цепей, где используются уровни импеданса 50 Ом.

Это означает, что, несмотря на то, что он не используется во многих заурядных электронных схемах, он может быть очень полезным вариантом, когда можно использовать некоторые из его ключевых характеристик.

Основы транзисторного усилителя с общей базой

Усилитель с общей базой имеет стиль конфигурации, несколько отличающийся от других конфигураций электронных схем.

Обычно входной сигнал подается на базу, но в случае с общей базой это соединение заземлено, и фактически его иногда называют схемой заземления базы.

Конфигурация схемы транзистора с общей базой

Для схем NPN и PNP видно, что для схемы усилителя с общей базой вход подается на эмиттер, а выход берется с коллектора. Общим выводом для обеих цепей является база.

База заземлена для сигнала, хотя по причинам смещения потенциал постоянного тока будет выше уровня земли. Это достигается с помощью резисторов смещения постоянного тока, но с развязкой базы и земли с помощью конденсатора.

Конфигурация усилителя с общей базой используется не так широко, как конфигурация транзисторного усилителя. Однако он находит применение в усилителях, требующих низкого уровня входного импеданса. Одно приложение предназначено для предусилителей микрофонов с подвижной катушкой — эти микрофоны имеют очень низкий уровень импеданса.

Другое приложение предназначено для проектирования радиочастотных цепей в ВЧ- и УВЧ-усилителях, где низкий входной импеданс обеспечивает точное согласование с импедансом фидера, который обычно составляет 50 Ом или 75 Ом.

Конфигурация также улучшает стабильность в результате заземления базы, что может привести к тому, что в некоторых случаях усилитель будет называться усилителем с заземленной базой.

Поскольку основание представляет собой электрод, расположенный между эмиттером и коллектором, тот факт, что он заземлен для радиочастотных сигналов, снижает уровень нежелательной паразитной обратной связи в схеме.

Стоит отметить, что коэффициент усиления по току усилителя с общей базой всегда меньше единицы.

Однако коэффициент усиления по напряжению больше, но он является функцией входного и выходного сопротивлений (а также внутреннего сопротивления перехода эмиттер-база). В результате коэффициент усиления по напряжению усилителя с общей базой может быть очень высоким.

Сводка характеристик транзисторного усилителя с общей базой

В таблице ниже приведены основные характеристики транзисторного усилителя с общей базой.

Общие базовые характеристики
Параметр	Характеристики
Коэффициент усиления по напряжению	Высокий
Коэффициент усиления по току	Низкий
Прирост мощности	Низкий
Соотношение фаз вход/выход	0&град
Входное сопротивление	Низкий
Выходное сопротивление	Высокий

Схема с общей базой не находит широкого применения для низкочастотных цепей — обычно желательны высокое входное сопротивление и низкое выходное сопротивление. Однако иногда он используется для некоторых схем, требующих низкого входного сопротивления, например, для ленточного микрофона, и в некоторых других ситуациях проектирования электронных схем.

Где он находит применение, так это в радиочастотном дизайне некоторых усилителей высокой частоты, например, для ОВЧ и УВЧ и т. д.

В конфигурации с общей базой входная емкость не подвержена эффекту Миллера, который ухудшает полосу пропускания в конфигурации с общим эмиттером. Кроме того, существует относительно высокая изоляция между входом и выходом, а это означает, что обратная связь между выходом и входом незначительна, что приводит к высокой стабильности.

Как работает схема с общей базой

С точки зрения прохождения сигнала схема с общей базой сильно отличается от схемы с общим эмиттером или с общим коллектором/эмиттерным повторителем.

Поскольку в двух других схемах в качестве входной точки схемы используется базовый электрод, то же самое нельзя сказать о схеме с общей базой, поскольку она заземлена.

Схема электронной схемы транзистора с общей базой / конфигурация
В этой схеме используется транзистор NPN, но конфигурация в равной степени применима к транзисторам PNP, но с обратной полярностью батареи.

Цепь транзисторного усилителя с общей базой

На приведенной ниже схеме показано, как может быть реализована схема усилителя с общей базой. Он показывает очень стандартную конфигурацию электронной схемы для смещения, а также приложение сигналов к схеме.

Те же ограничения смещения применяются к цепи с общей базой, но применение сигналов отличается, что позволяет заземлить базу и, следовательно, сделать ее общей как для входных, так и для выходных цепей.

Схема усилителя на транзисторе с общей базой

В этой типовой схеме электронной схемы для усилителя на транзисторе с общей базой условия смещения очень похожи на условия смещения, используемые для смещения других форм конфигурации, таких как схема с общим эмиттером

.

С точки зрения электронной схемы резисторы R ₁ и R ₂ образуют делитель потенциала, задающий точку смещения базы. Эмиттер транзистора будет на 0,6 В ниже этого значения, если используется кремниевый транзистор.

Эмиттерный резистор R ₄ определяет ток, протекающий через эмиттерный резистор. Поскольку через коллектор будет протекать практически один и тот же ток, необходимо позаботиться о том, чтобы резистор R ₃ был выбран таким образом, чтобы сигнал не вызывал каких-либо ограничений.

Конденсаторы C ₁ и C ₂ обеспечивают связь по переменному току для цепи, и их значения следует выбирать так, чтобы их импеданс был низким на рабочих частотах.

Для приложений по проектированию радиочастотных цепей значения R ₃ и R ₄ , вероятно, зависят от импеданса, необходимого для системы. Если для этих резисторов выбраны низкие значения, это повлияет на ток, который должен протекать в цепи.

Хотя транзисторная схема с общей базой не так широко используется, как схемы с общим эмиттером или с общим коллектором/эмиттерным повторителем, тем не менее, она занимает свое место в библиотеке электронных схем. Он обладает уникальным низким входным и выходным импедансом и способен обеспечить повышенную стабильность на высоких частотах благодаря заземлению базы.

По количеству используемых электронных компонентов он очень похож на другие конфигурации главной схемы.

Дополнительные схемы и схемы:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Транзисторная конструкция Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы схемы полевых транзисторов Символы цепи
    Вернитесь в меню проектирования схем . . .

Усилитель с общей базой и его уникальные характеристики ввода-вывода

Усилители используются почти во всех областях электроники, автомобильный усилитель по-прежнему остается моим фаворитом. С момента моего первого проекта по установке в возрасте 10 лет я был полностью заинтригован искусством проектирования идеальной автомобильной аудиосистемы. Как поклонник научного процесса, я, естественно, хотел узнать все, что мог, о компонентах, входящих в состав усилителя.

Узнав о различных схемах усилителей, используемых в усилителях, я еще больше заинтересовался областью электроники. Для меня компоненты, найденные в электронике, были подобны строительным блокам, и при наличии достаточных знаний и практики можно построить практически все.

Основа любой конструкции, от автомобильного усилителя звука до многослойной печатной платы, зависит от точности проектирования, сборки и выбора компонентов. Что касается компонентов, усилитель существует во множестве конфигураций и функциональных приложений. Одной из таких конфигураций является Common Base Amplifier, и я расскажу, как правильно смоделировать и симулировать его свойства.

Усилитель с общей базой

Усилитель с общей базой представляет собой тип конфигурации BJT или биполярного переходного транзистора, в котором входные и выходные сигналы совместно используют клемму базы транзистора, отсюда и название с общей базой (CB). Кроме того, конфигурация CB обычно не используется в качестве усилителя по сравнению с более распространенными конфигурациями с общим коллектором (CC) и общим эмиттером (CE). Хотя он и не находит широкого применения, если и находит, то в основном из-за уникальности его входных и выходных характеристик.

Для облегчения работы усилителя с общей базовой конфигурацией нам необходимо подавать входной сигнал на клемму эмиттера, а выходной сигнал снимать с клеммы коллектора. Следовательно, в данном случае входной ток является также током эмиттера. Это также означает, что выходной ток действительно является током коллектора. Однако, поскольку транзистор представляет собой как трехслойное устройство, так и устройство с двумя PN-переходами, его необходимо правильно сместить, чтобы он работал как усилитель с общей базой. Это означает, что его переход база-эмиттер должен быть смещен в прямом направлении.

На приведенном выше изображении показана принципиальная принципиальная схема конфигурации усилителя с общей базой. Если мы внимательно посмотрим на эту диаграмму, мы увидим из лежащей в основе конфигурации с общей базой, в которой входные переменные коррелируют с IE или током эмиттера и VBE или напряжением база-эмиттер. Кроме того, мы можем видеть выходные переменные, которые соответствуют току IC или коллектора и VCB или напряжению коллектор-база.

Схема усилителя с общей базой

Кроме того, поскольку IE также является входным током, последующее изменение IC будет происходить при каждом изменении входного тока. Как правило, в обычных конфигурациях базовых усилителей коэффициент усиления по току (Ai) определяется как Iвых ÷ Iвх или по формуле IC ÷ IE. Кроме того, Ai для общей конфигурации базового усилителя называется Alpha (α).

Что касается конфигураций транзисторов с биполярным переходом, то ток коллектора всегда меньше тока эмиттера, поскольку IE = IB + IC. Кроме того, альфа усилителя также должна быть меньше единицы, поскольку IC всегда меньше IE на величину IB. Таким образом, усилитель с общей базой смягчает ток и обычно имеет альфа от 0,980 до 0,995, что, конечно, меньше единицы.

Характеристики коэффициента усиления по напряжению усилителя с общей базой

Я уверен, что после изучения формул и выражений, описывающих характеристики конфигурации усилителя с общей базой, вы понимаете, что он не подходит для использования в качестве усилителя тока. Более того, поскольку по самому своему определению усиливать означает увеличивать. С общим коэффициентом усиления по току, как правило, между 0,980 и .995, это точно не увеличивает выходной ток.

Логично только то, что если он не увеличивает ток, то должен усиливать напряжение. Кроме того, коэффициент усиления по напряжению (AV) усилителя с общей базой представляет собой отношение VOUT ÷ VIN. В качестве альтернативы это означает, что это отношение VC (напряжение коллектора) к VE (напряжение эмиттера). Кроме того, другие способы выражения этих отношений: VIN = VE и VOUT = VC.

Поскольку VOUT развивается через RC (сопротивление коллектора), тогда VOUT также должно быть функцией IC по закону Ома; VRC = IC × RC. Следовательно, любые изменения в IE приведут к соответствующему сдвигу в IC. С учетом того, что предыдущие наблюдения верны, мы можем, следовательно, выразить эти результаты следующими формулами:

AV = VOUT ÷ VIN

AV = VC ÷ VE

AV ≅ (IC × RC) ÷ (IE × RE)

 

В качестве альтернативы, поскольку Alpha = IC ÷ IE, мы также выражаем напряжение общей базы усилителя усиление как:

AV = α(RC ÷ RE)

Или

AV = AI(RC ÷ RE)

Различия в инвертирующих и неинвертирующих усилителях.

 

Характеристики усиления по напряжению усилителя с общей базой

Коэффициент усиления по напряжению равен (+/-) отношению сопротивления коллектора к сопротивлению эмиттера. Кроме того, в биполярном транзисторе имеется один PN-диодный переход между клеммами эмиттера и базы, что приводит к тому, что называется r’e или динамическим сопротивлением эмиттера транзистора.

Кроме того, при входных сигналах переменного тока переход эмиттерного диода фактически имеет сопротивление слабого сигнала, и следующее выражение символизирует эту зависимость: r’ e = 25 мВ ÷ IE. Кроме того, в этом выражении 25 мВ представляют собой тепловое напряжение PN-перехода, а IE, разумеется, представляет собой ток эмиттера. Следовательно, всякий раз, когда увеличивается ток эмиттера, также будет пропорционально уменьшаться сопротивление эмиттера.

Имейте в виду, что часть входного тока также протекает через этот внутренний переход база-эмиттер к базе и внешнему эмиттерному резистору RE. Это также означает, что при проведении анализа слабого сигнала вам необходимо соединить эти два сопротивления параллельно. Мы знаем, что значение r’e минимально. Напротив, значение RE обычно намного значительнее; обычно в диапазоне килоом. Поэтому масштаб усиления по напряжению усилителя сильно меняется в зависимости от изменения уровня эмиттерного тока.

Биполярные транзисторы могут использоваться во многих электронных приложениях.

 

Усилитель с общей базой можно использовать в качестве основы для многих более сложных схем и конструкций усилителей. Используя анализ слабых сигналов, плоттеры Боде и модели коэффициента усиления по напряжению, вы можете быстро проверить свои схемы, а также определить любые конструктивные изменения, которые необходимо внести. Это повышает безопасность вашего дизайна, когда вы продвигаете его вперед через макет и производство. PSpice предлагает надежные и надежные симуляции для любой из этих моделей и может предоставить необходимую вам информацию.

Конечно, вы можете использовать PSpice в своем процессе для других моделей усилителей и транзисторов, приобретенных у любого поставщика ИС. Вы можете использовать импорт моделей сторонних производителей в PSpice или использовать уже существующее огромное количество моделей транзисторов, доступных у основных поставщиков микросхем. После этого вы можете выполнить анализ переменного тока, построение графика Боде и любой другой анализ, необходимый для проверки их поведения.

Проверка электронных конструкций с включенными в них усилителями — это только одна часть головоломки проектирования; в остальном изучите другие инструменты проектирования и анализа, предлагаемые Cadence. OrCAD PSpice Simulator может помочь вам в процессе проектирования схем.

Если вы хотите узнать больше о том, как у Cadence есть решение для вас, поговорите с нашей командой экспертов и с нами.

 

Решения Cadence PCB — это комплексный инструмент для проектирования от начала до конца, позволяющий быстро и эффективно создавать продукты.