Усилитель с общей базой
Конечная конфигурация транзисторного усилителя (рисунок ниже), которую нам необходимо изучить, - это усилители с общей базой . . Эта конфигурация более сложна, чем две другие, и встречается реже из-за своих странных рабочих характеристик.
Усилитель с общей базой
Почему он называется усилителем с общей базой?
Это называется common-base конфигурация, потому что (помимо источника питания постоянного тока) источник сигнала и нагрузка разделяют базу транзистора как общую точку подключения, показанную на рисунке ниже.
Усилитель с общей базой:вход между эмиттером и базой, выход между коллектором и базой.
Возможно, наиболее яркой характеристикой этой конфигурации является то, что источник входного сигнала должен пропускать полный эмиттерный ток транзистора, как показано жирными стрелками на первом рисунке. Как мы знаем, ток эмиттера больше, чем любой другой ток в транзисторе, и представляет собой сумму токов базы и коллектора. В последних двух конфигурациях усилителя источник сигнала был подключен к выводу базы транзистора, таким образом обрабатывая наименьшее в настоящее время возможно.
Ослабление тока в усилителях с общей базой
Поскольку входной ток превышает все другие токи в цепи, включая выходной ток, коэффициент усиления по току этого усилителя меньше 1 . (обратите внимание, как Rload подключен к коллектору, таким образом проводя немного меньший ток, чем у источника сигнала). Другими словами, он ослабляет ток, а не усиление Это. В конфигурациях усилителя с общим эмиттером и общим коллектором параметр транзистора, наиболее тесно связанный с усилением, был β. В схеме с общей базой мы следуем другому базовому параметру транзистора:соотношению между током коллектора и током эмиттера, которое всегда на долю меньше 1. Это дробное значение для любого транзистора называется альфа коэффициент, или коэффициент α.
Повышение напряжения сигнала в усилителях с общей базой
Поскольку очевидно, что он не может повысить ток сигнала, разумно ожидать, что он повысит напряжение сигнала. Моделирование SPICE схемы на рисунке ниже подтвердит это предположение.
Схема с общей базой для анализа SPICE постоянного тока.
усилитель с общей базой 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
Функция передачи постоянного тока усилителя с общей базой н.
Обратите внимание на приведенный выше рисунок, что выходное напряжение изменяется практически от нуля (отсечка) до 15,75 вольт (насыщение), а входное напряжение изменяется в диапазоне от 0,6 до 1,2 вольт. График выходного напряжения не показывает роста до 0,7 В на входе и отключается (выравнивается) примерно при 1,12 В на входе. Это представляет собой довольно большой коэффициент усиления по напряжению с диапазоном выходного напряжения 15,75 В и диапазоном входного напряжения всего 0,42 В:коэффициент усиления 37,5 или 31,48 дБ. Обратите также внимание на то, как выходное напряжение (измеренное на Rload) превышает напряжение источника питания (15 вольт) при насыщении из-за эффекта последовательного включения источника входного напряжения.
Второй набор анализов SPICE с источником сигнала переменного тока (и напряжением смещения постоянного тока) рассказывает ту же историю:высокий коэффициент усиления по напряжению
Пример схемы
Схема с общей базой для анализа SPICE переменного тока.
Как вы можете видеть, входные и выходные сигналы на рисунке ниже синфазны. Это говорит нам о том, что усилитель с общей базой не инвертирующий.
усилитель с общей базой 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
Анализ AC SPICE в таблице ниже на одной частоте 2 кГц предоставляет входные и выходные напряжения для расчета усиления.
Анализ переменного тока с общей базой на частоте 2 кГц - список соединений с последующим выводом.
усилитель с общей базой 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 напряжения из второго анализа (таблица выше) показывают усиление напряжения 42,74 (4,274 В / 0,1 В) или 32,617 дБ:
Вот еще один вид схемы на рисунке ниже, суммирующий фазовые соотношения и смещения постоянного тока различных сигналов в только что смоделированной схеме.
Фазовые отношения и смещения для усилителя с общей базой NPN.
. . . и для транзистора PNP:рисунок ниже.
Фазовые соотношения и смещения для усилителя общей базы PNP.
Прогнозирование прироста напряжения
Прогнозирование усиления по напряжению для конфигурации усилителя с общей базой довольно сложно и включает в себя аппроксимации поведения транзистора, которые трудно измерить напрямую. В отличие от других конфигураций усилителей, в которых коэффициент усиления по напряжению либо задавался соотношением двух резисторов (общий эмиттер), либо фиксировался на неизменном значении (общий коллектор), коэффициент усиления по напряжению усилителя с общей базой во многом зависит от величины Смещение постоянного тока на входном сигнале. Как оказалось, внутреннее сопротивление транзистора между эмиттером и базой играет важную роль в определении усиления напряжения, и это сопротивление изменяется с разными уровнями тока через эмиттер.
Хотя это явление трудно объяснить, его довольно легко продемонстрировать с помощью компьютерного моделирования. Моделирование SPICE на схеме усилителя с общей базой (рисунок выше), немного изменяя напряжение смещения постоянного тока (vbias на рисунке ниже), сохраняя при этом постоянную амплитуду сигнала переменного тока и все другие параметры схемы. При изменении коэффициента усиления напряжения от одного моделирования к другому будут отмечены разные амплитуды выходного напряжения.
Хотя все эти анализы будут проводиться в режиме «передаточной функции», каждый из них сначала был «проверен» в режиме анализа переходных процессов (график напряжения во времени), чтобы гарантировать, что вся волна точно воспроизводится, а не «срезается» из-за неправильного использования. смещение. См. «* .Tran 0,02 м 0,78 м» на рисунке ниже, «закомментированный» отчет по анализу переходных процессов. Расчет усиления не может основываться на искаженных формах сигналов. SPICE может рассчитать усиление постоянного тока для слабого сигнала с помощью оператора «.tf v (4) vin». Результат: v (4) и ввод как vin .
усилитель с общей базой vbias =0,85V vin 5 2 sin (0 0,12 2000 0 0) vbias 0 1 dc 0,85 r1 2 1100 q1 4 0 5 mod1 v1 3 0 dc 15 rload 3 4 5k .model mod1 npn * .tran 0,02 м 0,78 м .tf v (4) vin .end
коэффициент усиления по току усилителя с общей базой Iin 55 5 0A vin 55 2 sin (0 0,12 2000 0 0) vbias 0 1 dc 0,8753 r1 2 1100 q1 4 0 5 mod1 v1 3 0 dc 15 rload 3 4 5k .model mod1 npn * .tran 0,02 м 0,78 м .tf I (v1) Iin .end Информация о передаточной функции:передаточная функция =9.900990e-01 iin входное сопротивление =9.900923e + 11 v1 выходное сопротивление =1.000000e + 20
Список цепей SPICE:передаточная функция с общей базой (усиление по напряжению) для различных напряжений смещения постоянного тока. Список цепей SPICE:усиление по току усилителя с общей базой; Обратите внимание на инструкцию .tf v (4) vin. Передаточная функция для усиления постоянного тока I (vin) / Iin; Обратите внимание на инструкцию .tf I (vin) Iin.
В командной строке введите spice -b filename.cir . выводит на печать из-за файла .tf оператор:transfer_function, output_impedance и input_impedance. Сокращенный выходной листинг взят из запусков с vbias при 0,85, 0,90, 0,95, 1,00 В, как указано в таблице ниже.
Вывод SPICE:передаточная функция с общим основанием.
Цепь:усилитель с общей базой, vbias =0,85 В, функция передачи =3.756565e + 01 output_impedance_at_v (4) =5.000000e + 03 vin # input_impedance =1,317825e + 02 Цепь:ампер с общей базой, vbias =0,8753V Ic =1 мА Информация о передаточной функции:transfer_function =3.942567e + 01 output_impedance_at_v (4) =5.000000e + 03 vin # input_impedance =1.255653e + 02 Цепь:общий базовый усилитель vbias =0.9V transfer_function =4.079542e + 01 output_impedance_at_v (4) =5.000000e +03 vin # input_impedance =1.213493e + 02 Цепь:усилитель с общей базой vbias =0.95V transfer_function =4.273864e + 01 output_impedance_at_v (4) =5.000000e + 03 vin # input_impedance =1.158318e + 02 Цепь:Vbias усилителя с общей базой =1.00V transfer_function =4.401137e + 01 output_impedance_at_v (4) =5.000000e + 03 vin # input_impedance =1.124822e + 02
Тенденция должна быть очевидна в таблице выше. С увеличением напряжения смещения постоянного тока также увеличивается коэффициент усиления по напряжению (функция_передачи). Мы можем видеть, что коэффициент усиления по напряжению увеличивается, потому что каждое последующее моделирование (vbias =0,85, 0,8753, 0,90, 0,95, 1,00 В) дает большее усиление (передаточная функция =37,6, 39,4 40,8, 42,7, 44,0) соответственно. Изменения в значительной степени связаны с незначительными колебаниями напряжения смещения.
Последние три строки таблицы выше (справа) показывают I (v1) / Iin текущий прирост 0,99. (Последние две строки выглядят недействительными.) Это имеет смысл для β =100; α =β / (β + 1), α =0,99 =100 / (100-1). Комбинация низкого коэффициента усиления по току (всегда меньше единицы) и несколько непредсказуемого коэффициента усиления по напряжению противоречит конструкции с общей базой, отводя ее к нескольким практическим применениям.
Эти несколько приложений включают усилители радиочастоты. Заземленная база помогает экранировать вход эмиттера от выхода коллектора, предотвращая нестабильность ВЧ-усилителей. Общая базовая конфигурация может использоваться на более высоких частотах, чем общий эмиттер или общий коллектор. См. «ВЧ-усилитель мощности 750 мВт с общей базой класса C», глава 9. Для получения более подробной схемы см. «Усилитель с большим усилением и малым сигналом с общей базой класса A», глава 9.
ОБЗОР:
- Общая база Транзисторные усилители называются так потому, что точки входа и выхода напряжения имеют общий вывод базы транзистора, без учета каких-либо источников питания.
- Коэффициент усиления по току усилителя с общей базой всегда меньше 1. Коэффициент усиления по напряжению является функцией входного и выходного сопротивлений, а также внутреннего сопротивления перехода эмиттер-база, которое может изменяться в зависимости от Напряжение смещения постоянного тока. Достаточно сказать, что коэффициент усиления по напряжению усилителя с общей базой может быть очень высоким.
- Отношение тока коллектора транзистора к току эмиттера называется α. Значение α для любого транзистора всегда меньше единицы или, другими словами, меньше 1.
СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:
- Рабочий лист усилителей BJT класса A
Промышленные технологии