Der Common-Base-Verstärker

Die endgültige Transistorverstärkerkonfiguration (Abbildung unten), die wir untersuchen müssen, sind die Verstärker mit gemeinsamer Basis . Diese Konfiguration ist komplexer als die anderen beiden und aufgrund ihrer seltsamen Betriebseigenschaften weniger verbreitet.

Basisverstärker

Warum wird er als Common-Base-Verstärker bezeichnet?

Es heißt die gemeinsame Basis Konfiguration, weil (von der Gleichstromquelle abgesehen) die Signalquelle und die Last die Basis des Transistors als gemeinsamen Verbindungspunkt teilen, wie in der Abbildung unten gezeigt.

Basisverstärker:Eingang zwischen Emitter und Basis, Ausgang zwischen Kollektor und Basis.

Das vielleicht auffälligste Merkmal dieser Konfiguration ist, dass die Eingangssignalquelle den vollen Emitterstrom des Transistors führen muss, wie durch die dicken Pfeile in der ersten Abbildung angedeutet. Wie wir wissen, ist der Emitterstrom größer als jeder andere Strom im Transistor, da er die Summe aus Basis- und Kollektorströmen ist. In den letzten beiden Verstärkerkonfigurationen war die Signalquelle mit der Basisleitung des Transistors verbunden, wodurch die wenigsten Strom möglich.

Dämpfung des Stroms in Verstärkern mit gemeinsamer Basis

Da der Eingangsstrom alle anderen Ströme in der Schaltung, einschließlich des Ausgangsstroms, übersteigt, beträgt die Stromverstärkung dieses Verstärkers weniger als 1 (beachten Sie, wie Rload mit dem Kollektor verbunden ist und somit etwas weniger Strom führt als die Signalquelle). Mit anderen Worten, es dämpft Strom statt Verstärkung es. Bei Verstärkerkonfigurationen mit gemeinsamem Emitter und gemeinsamem Kollektor war der Transistorparameter, der am engsten mit der Verstärkung verbunden war, β. In der Basisschaltung folgen wir einem anderen grundlegenden Transistorparameter:dem Verhältnis zwischen Kollektorstrom und Emitterstrom, das immer einen Bruchteil kleiner als 1 ist. Dieser Bruchwert für jeden Transistor wird als Alpha . bezeichnet Verhältnis oder α-Verhältnis.

Erhöhung der Signalspannung in Verstärkern mit gemeinsamer Basis

Da es offensichtlich den Signalstrom nicht erhöhen kann, scheint es nur vernünftig zu erwarten, dass es die Signalspannung erhöht. Eine SPICE-Simulation der Schaltung in der Abbildung unten bestätigt diese Annahme.

Schaltung mit gemeinsamer Basis für die DC SPICE-Analyse.

Common-Base-Verstärker 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 

DC-Übertragungsfunktion des Verstärkers mit gemeinsamer Basis n.

Beachten Sie in der obigen Abbildung, dass die Ausgangsspannung von praktisch Null (Abschaltung) bis 15,75 Volt (Sättigung) reicht, wobei die Eingangsspannung über einen Bereich von 0,6 Volt bis 1,2 Volt gesweept wird. Das Ausgangsspannungsdiagramm zeigt keinen Anstieg bis etwa 0,7 Volt am Eingang und schneidet ab (flacht ab) bei etwa 1,12 Volt Eingang. Dies stellt eine ziemlich große Spannungsverstärkung mit einer Ausgangsspannungsspanne von 15,75 Volt und einer Eingangsspannungsspanne von nur 0,42 Volt dar:ein Verstärkungsverhältnis von 37,5 oder 31,48 dB. Beachten Sie auch, wie die Ausgangsspannung (gemessen über Rload) die Stromversorgung (15 Volt) bei Sättigung überschreitet, aufgrund des Serienhilfseffekts der Eingangsspannungsquelle.

Der zweite Satz von SPICE-Analysen mit einer AC-Signalquelle (und DC-Vorspannung) erzählt die gleiche Geschichte:eine hohe Spannungsverstärkung

Beispielschaltung

Common-Base-Schaltung für SPICE AC-Analyse.

Wie Sie sehen können, sind die Eingangs- und Ausgangswellenformen in der Abbildung unten phasengleich. Dies sagt uns, dass der Basisverstärker nicht invertierend ist.

Basisverstärker 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 0.78 m .plot tran v(5,2) v(4) .end 

Die AC SPICE-Analyse in der Tabelle unten bei einer einzelnen Frequenz von 2 kHz liefert Eingangs- und Ausgangsspannungen für die Verstärkungsberechnung.

Gemeinsame AC-Analyse bei 2 kHz – Netzliste gefolgt von Ausgabe.

 Basisverstärker 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 dez 1 2000 2000 .print ac vm (5,2) vm(4,3) .Endfrequenz mag(v(5,2)) mag(v(4,3))—————————————————— ————0.000000e+00 1.000000e-01 4.273864e+00

Spannungswerte aus der zweiten Analyse (Tabelle oben) zeigen eine Spannungsverstärkung von 42,74 (4,274 V / 0,1 V) oder 32,617 dB:

Hier ist eine weitere Ansicht der Schaltung in der Abbildung unten, die die Phasenbeziehungen und DC-Offsets verschiedener Signale in der gerade simulierten Schaltung zusammenfasst.

Phasenbeziehungen und Offsets für NPN-Basisverstärker.

. . . und für einen PNP-Transistor:Abbildung unten.

Phasenbeziehungen und Offsets für PNP-Basisverstärker.

Spannungsverstärkung vorhersagen

Die Vorhersage der Spannungsverstärkung für die Verstärkerkonfiguration mit Basisschaltung ist ziemlich schwierig und erfordert Näherungen des Transistorverhaltens, die schwer direkt zu messen sind. Im Gegensatz zu den anderen Verstärkerkonfigurationen, bei denen die Spannungsverstärkung entweder durch das Verhältnis zweier Widerstände (gemeinsamer Emitter) oder auf einen unveränderlichen Wert (gemeinsamer Kollektor) festgelegt wurde, hängt die Spannungsverstärkung des Verstärkers mit gemeinsamer Basis weitgehend vom Betrag von DC-Bias am Eingangssignal. Wie sich herausstellt, spielt der interne Transistorwiderstand zwischen Emitter und Basis eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Spannungsverstärkung, und dieser Widerstand ändert sich mit unterschiedlichen Stromstärken durch den Emitter.

Dieses Phänomen ist zwar schwer zu erklären, aber mit Computersimulationen recht einfach zu demonstrieren. SPICE-Simulationen an einer Verstärkerschaltung mit gemeinsamer Basis (Abbildung oben), wobei die DC-Vorspannung geringfügig geändert wird (vbias in Abbildung unten), während die AC-Signalamplitude und alle anderen Schaltungsparameter konstant gehalten werden. Wenn sich die Spannungsverstärkung von einer Simulation zur anderen ändert, werden unterschiedliche Ausgangsspannungsamplituden festgestellt.

Obwohl diese Analysen alle im Modus „Übertragungsfunktion“ durchgeführt werden, wurde jede zuerst im Modus der transienten Analyse (Spannung aufgetragen über der Zeit) „bewiesen“, um sicherzustellen, dass die gesamte Welle originalgetreu reproduziert und nicht aufgrund von Unregelmäßigkeiten „beschnitten“ wurde Voreingenommenheit. Siehe „*.tran 0,02m 0,78m“ in Abbildung unten, die „auskommentierte“ Transientenanalyse-Anweisung. Verstärkungsberechnungen können nicht auf verzerrten Wellenformen basieren. SPICE kann die Kleinsignal-DC-Verstärkung für uns mit der Anweisung „.tf v(4) vin“ berechnen. Die Ausgabe ist v(4) und die Eingabe als vin .

gemeinsamer Verstärker 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 

 Stromverstärkung des gemeinsamen Basisverstärkers 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 Informationen zur Übertragungsfunktion:Übertragungsfunktion =9.900990e-01 iin Eingangsimpedanz =9.900923e+11 v1 Ausgangsimpedanz =1.000000e+20

SPICE-Netzliste:Gemeinsame Basis, Übertragungsfunktion (Spannungsverstärkung) für verschiedene DC-Biasspannungen. SPICE-Netzliste:Stromverstärkung des gemeinsamen Basisverstärkers; Beachten Sie die .tf v(4) vin-Anweisung. Übertragungsfunktion für Gleichstromverstärkung I(vin)/Iin; Beachten Sie die .tf I(vin) Iin-Anweisung.

In der Befehlszeile spice -b filename.cir erzeugt eine gedruckte Ausgabe aufgrund der .tf Anweisung:transfer_function, output_impedance und input_impedance. Die abgekürzte Ausgabeliste stammt von Läufen mit vbias bei 0,85, 0,90, 0,95, 1,00 V wie in der Tabelle unten aufgezeichnet.

SPICE-Ausgang:Common-Base-Übertragungsfunktion.

 Schaltung:Basisverstärker vbias=0.85V transfer_function =3.756565e+01 output_impedance_at_v(4) =5.000000e+03 vin#input_impedance =1.317825e+02 Schaltung:Basisverstärker vbias=0.8753V Ic=1 mA Informationen zur Übertragungsfunktion:transfer_function =3.942567e+01 output_impedance_at_v(4) =5.000000e+03 vin#input_impedance =1.255653e+02 Schaltung:Basisverstärker vbias=0.9V transfer_function =4.079542e+01 output_impedance_at_v(4) =5.000000e +03 vin#input_impedance =1.213493e+02 Schaltung:Basisverstärker vbias=0.95V transfer_function =4.273864e+01 output_impedance_at_v(4) =5.000000e+03 vin#input_impedance =1.158318e+02 Schaltung:Basisverstärker vbias =1.00V transfer_function =4.401137e+01 output_impedance_at_v(4) =5.000000e+03 vin#input_impedance =1.124822e+02

In der obigen Tabelle sollte ein Trend erkennbar sein. Mit Zunahmen der DC-Vorspannung nimmt auch die Spannungsverstärkung (transfer_function) zu. Wir können sehen, dass die Spannungsverstärkung zunimmt, da jede nachfolgende Simulation (vbias=0,85, 0,8753, 0,90, 0,95, 1,00 V) eine größere Verstärkung erzeugt (transfer_function=37,6, 39,4 40,8, 42,7, 44,0). Die Änderungen sind größtenteils auf winzige Schwankungen der Vorspannung zurückzuführen.

Die letzten drei Zeilen der obigen Tabelle (rechts) zeigen die I(v1)/Iin aktuelle Verstärkung von 0,99. (Die letzten beiden Zeilen sehen ungültig aus.) Dies ist sinnvoll für β=100; α=β/(β+1), α=0,99=100/(100-1). Die Kombination aus niedriger Stromverstärkung (immer weniger als 1) und etwas unvorhersehbarer Spannungsverstärkung steht im Gegensatz zum Design mit gemeinsamer Basis und beschränkt es auf wenige praktische Anwendungen.

Diese wenigen Anwendungen umfassen Hochfrequenzverstärker. Die geerdete Basis trägt dazu bei, den Eingang am Emitter vom Kollektorausgang abzuschirmen, wodurch Instabilität in HF-Verstärkern verhindert wird. Die Konfiguration mit gemeinsamer Basis ist bei höheren Frequenzen verwendbar als der gemeinsame Emitter oder der gemeinsame Kollektor. Siehe „Klasse C 750-mW-HF-Leistungsverstärker mit gemeinsamer Basis“ Kapitel 9. Für eine ausgefeiltere Schaltung siehe „Klasse A-Kleinsignalverstärker mit hoher Verstärkung mit gemeinsamer Basis“ Kapitel 9.

RÜCKBLICK:

• Gemeinsame Basis Transistorverstärker werden so genannt, weil sich die Eingangs- und Ausgangsspannungspunkte die Basisleitung des Transistors gemeinsam teilen, ohne Berücksichtigung von Netzteilen.
• Die Stromverstärkung eines Verstärkers mit Basisschaltung ist immer kleiner als 1. Die Spannungsverstärkung ist eine Funktion des Eingangs- und Ausgangswiderstands sowie des Innenwiderstands des Emitter-Basis-Übergangs, der sich mit Änderungen von ändern kann DC-Vorspannung. Es genügt zu sagen, dass die Spannungsverstärkung eines Basisverstärkers sehr hoch sein kann.
• Das Verhältnis des Kollektorstroms eines Transistors zum Emitterstrom wird als α bezeichnet. Der α-Wert für jeden Transistor ist immer kleiner als Eins, oder anders ausgedrückt, kleiner als 1.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Arbeitsblatt für Klasse-A-BJT-Verstärker