Усилители с общей базой: проектирование, анализ и применение

Усилитель с общей базой — наименее распространенная из трех базовых транзисторных схем, во многом потому, что её рабочие характеристики существенно отличаются от схем с общим эмиттером и общим коллектором. В этом разделе рассматриваются структура, ключевые показатели эффективности и типичные сценарии использования.

Почему «с общей базой»?

В данной топологии источник сигнала и нагрузка совместно используют базовый вывод транзистора как общий узел (кроме источника питания). Входной сигнал подается между эмиттером и базой, а выход снимается между коллектором и базой, как показано на диаграмме ниже.

Поскольку эмиттерный ток должен течь через источник входного сигнала, последний должен обеспечивать полный эмиттерный ток — обычно наибольший ток в приборе. Следовательно, входной ток может быть значительно больше выходного.

Ослабление тока и коэффициент α

Так как доминирует эмиттерный ток, коэффициент усиления по току (выходной ток / входной ток) всегда меньше единицы. Это контрастирует со схемами с общим эмиттером и общим коллектором, где ключевым параметром является β (бета). Для каскада с общей базой соответствующим параметром является α (альфа) — отношение коллекторного тока к эмиттерному. По определению 0 < α < 1, что объясняет присущее ослабление тока.

Характеристики усиления по напряжению

Хотя каскад с общей базой не может усиливать ток, он способен обеспечить значительное усиление по напряжению. SPICE-моделирование схемы ниже подтверждает это поведение:

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

DC-характеристика передачи показывает рост выходного напряжения от значения, близкого к нулю (запирание), до 15,75 В при изменении входного напряжения от 0,6 В до 1,2 В. Коэффициент усиления по напряжению, определяемый как отношение диапазона выходного напряжения (15,75 В) к диапазону входного (0,42 В), составляет 37,5 (≈ 31,5 дБ). Выходное напряжение может превышать напряжение питания благодаря эффекту последовательного сложения с источником входного сигнала.

Аналогичная тенденция наблюдается в AC-моделировании, где входной и выходной сигналы в фазе, что подтверждает неинвертирующий характер каскада с общей базой.

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

На частоте 2 кГц AC-анализ дает коэффициент усиления по напряжению 42,74 (≈ 32,6 дБ). На приведенных ниже диаграммах фаз изображены сигнальные отношения и DC-смещения для NPN- и PNP-устройств.

Прогнозирование коэффициента усиления по напряжению

В отличие от двух других конфигураций, коэффициент усиления по напряжению усилителя с общей базой сильно зависит от точки DC-смещения. Динамическое сопротивление эмиттерно-базового перехода меняется с эмиттерным током, что затрудняет аналитические прогнозы. Компьютерное моделирование эффективно улавливает это поведение. Например, изменение смещения при постоянной амплитуде AC меняет коэффициент усиления, как показано в таблице ниже.

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

Результаты SPICE для значений смещения от 0,85 В до 1,00 В показывают четкую тенденцию: передаточная функция (усиление по напряжению) растет от 37,6 до 44,0 с увеличением смещения. Соответствующее входное сопротивление незначительно уменьшается, а выходное остается неизменным — 5 кОм.

Во всех случаях коэффициент усиления по току (I(v1)/Iin) колеблется около 0,99, что согласуется с α ≈ β/(β+1) для β ≈ 100.

Практическое применение

Благодаря высокому коэффициенту усиления по напряжению, низкому входному сопротивлению и сниженной чувствительности к паразитным емкостям, топология с общей базой предпочтительна в радиочастотных (РЧ) усилителях и высокоскоростных трактах. Заземленная база обеспечивает отличную экранировку эмиттерного входа от коллекторных шумов, повышая стабильность на высоких частотах. Классические примеры включают усилители мощности класса С и маломощные высокочастотные каскады класса А.

Ключевые выводы

• Базовый вывод общен для входа и выхода, что определяет название схемы.
• Коэффициент усиления по току всегда < 1; усиление по напряжению может быть очень высоким и зависит от смещения.
• Коэффициент α управляет токовым отношением; он остается ниже единицы для всех транзисторов.

Дополнительное чтение

• Рабочий лист по усилителям класса А на биполярных транзисторах