Common-Base-Verstärker (Gemeinsame Basis): Design, Analyse und Anwendungen

Der Common-Base-Verstärker ist die ungewöhnlichste der drei grundlegenden Transistorkonfigurationen, da seine Betriebseigenschaften deutlich von Common-Emitter- und Common-Collector-Schaltungen abweichen. Dieser Abschnitt untersucht Aufbau, wichtige Leistungsmerkmale und typische Einsatzfälle.

Warum der Name „Common-Base“?

In dieser Topologie teilen Signalquelle und Last den Basisanschluss des Transistors als gemeinsamen Knoten (abgesehen von der Versorgungsspannung). Der Eingang liegt zwischen Emitter und Basis, der Ausgang wird zwischen Kollektor und Basis abgenommen, wie im Diagramm unten gezeigt.

Da der Emitterstrom durch die Eingangssignalquelle fließen muss, muss das Eingangssignal den vollen Emitterstrom führen – typischerweise der größte Strom im Bauelement. Folglich kann der Eingangsstrom erheblich größer sein als der Ausgangsstrom.

Stromdämpfung und Alpha

Da der Emitterstrom dominiert, ist die Stromverstärkung (Ausgangsstrom / Eingangsstrom) immer kleiner als eins. Dies steht im Gegensatz zu Common-Emitter- und Common-Collector-Stufen, wo β (Beta) der entscheidende Verstärkungsparameter ist. Für die Common-Base-Stufe ist der relevante Parameter α (Alpha), das Verhältnis von Kollektor- zu Emitterstrom. Per Definition gilt 0 < α < 1, was die inhärente Stromdämpfung erklärt.

Spannungsverstärkungseigenschaften

Obwohl die Common-Base-Stufe keinen Strom verstärken kann, bietet sie eine beachtliche Spannungsverstärkung. Eine SPICE-Simulation der unten gezeigten Schaltung bestätigt dieses Verhalten:

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

Die DC-Übertragungskennlinie zeigt, dass die Ausgangsspannung von nahe Null (Sperrung) auf 15,75 V ansteigt, während die Eingangsspannung von 0,6 V auf 1,2 V sweeped. Die Spannungsverstärkung, definiert als Verhältnis des Ausgangshubs (15,75 V) zum Eingangsbereich (0,42 V), beträgt 37,5 (≈ 31,5 dB). Der Ausgang kann die Versorgungsspannung aufgrund des reihenschaltenden Effekts der Eingangsspannungsquelle übersteigen.

Ein ähnlicher Trend zeigt sich in der AC-Simulation, wo Ein- und Ausgang in Phase sind, was bestätigt, dass die Common-Base-Stufe nicht invertierend arbeitet.

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

Bei 2 kHz ergibt die AC-Analyse eine Spannungsverstärkung von 42,74 (≈ 32,6 dB). Das Phasendiagramm unten veranschaulicht die Signalbeziehungen und DC-Offsets für sowohl NPN- als auch PNP-Bauelemente.

Vorhersage der Spannungsverstärkung

Anders als bei den anderen beiden Konfigurationen hängt die Spannungsverstärkung eines Common-Base-Verstärkers stark vom DC-Arbeitspunkt ab. Der dynamische Widerstand der Emitter-Basis-Strecke ändert sich mit dem Emitterstrom, was analytische Vorhersagen erschwert. Computersimulationen erfassen dieses Verhalten effektiv. Zum Beispiel ändert die Variation der Vorspannung bei konstanter AC-Amplitude die Verstärkung, wie in der Tabelle unten dargestellt.

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

Die SPICE-Ausgabe für Vorspannwerte von 0,85 V bis 1,00 V zeigt einen klaren Trend: Die Übertragungsfunktion (Spannungsverstärkung) steigt von 37,6 auf 44,0, während die Vorspannung zunimmt. Der entsprechende Eingangs-widerstand nimmt leicht ab, der Ausgangswiderstand bleibt konstant bei 5 kΩ.

In allen Fällen schwebt die Stromverstärkung (I(v1)/Iin) nahe 0,99, konsistent mit α ≈ β/(β+1) für β ≈ 100.

Praktische Anwendungen

Aufgrund ihrer hohen Spannungsverstärkung, des niedrigen Eingangs-widerstands und der geringeren Empfindlichkeit gegenüber parasitären Kapazitäten wird die Common-Base-Topologie in Hochfrequenz-(RF)-Verstärkern und schnellen Signalpfaden bevorzugt. Die geerdete Basis bietet eine hervorragende Abschirmung des Emittereingangs vor Kollektor-Rauschen, was die Stabilität bei hohen Frequenzen erhöht. Klassische Beispiele sind Class-C-RF-Leistungsverstärker und Class-A-Kleinsignal-Hochverstärkungsstufen.

Kernaussagen

• Der Basisanschluss ist sowohl für Ein- als auch Ausgang gemeinsam, was den Namen definiert.
• Stromverstärkung ist immer < 1; Spannungsverstärkung kann sehr hoch sein und hängt von der Vorspannung ab.
• Alpha (α) regelt das Stromverhältnis; es bleibt für alle Transistoren unter eins.

Weiterführende Literatur

• Class A BJT Amplifiers Worksheet