Ну, и напоследок рассмотрим конфигурацию транзисторного усилителя (рисунок 1 ниже), представляющую собой усилительный каскад с общей базой (или просто усилитель с общей базой). Эта конфигурация посложнее будет, чем две предыдущие (с общим эмиттером и с общим коллектором), и встречается реже из-за своих странных рабочих характеристик.
Рис. 1. Усилительный каскад с общей базой
Откуда такое название – усилительный каскад с общей базой?
А называется так потому, что (помимо источника питания постоянного тока) источник сигнала и нагрузка делят базу транзистора в качестве общей точки подключения:
Рис. 2. Усилительный каскад с общей базой: вход между эмиттером и базой, выход между коллектором и базой.
Возможно, самой яркой характеристикой этой конфигурации является то, что источник входного сигнала должен пропускать полный эмиттерный ток транзистора, что 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 предыдущих двух усилительных конфигурациях (с общим эмиттером и общим коллектором) источник сигнала был подключён к выводу базы транзистора, таким образом подавая минимально возможный ток.
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 RНагрузка подключён к коллектору – таким образом, что пропускает немного меньший ток, чем источник сигнала). Другими словами, усилитель ослабляет ток, а не усиливает. В конфигурациях усилителя с общим эмиттером и общим коллектором параметр транзистора, наиболее тесно связанный с усилением, был β (бета-коэффициент). В схеме с общей базой у нас другой базовый параметр транзистора: соотношение между током коллектора и током эмиттера, которое всегда меньше 1. Это дробное значение для любого транзистора называется как альфа-соотношение, альфа-коэффициент или просто α.
Напряжение повышающего сигнала в усилительных каскадах с общей базой
Поскольку очевидно, что усилитель не повышает ток, разумно ожидать, что повышает напряжение. SPICE-моделирование схемы подтверждает наше догадку:
Рис. 3. Схема с общей базой для анализа в SPICE (при постоянном токе).
Рис. 4. Функция передачи постоянного тока усилительного каскада с общей базой.
Обратите внимание на рисунок 4 выше – 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 примерно до 0,7 В на входе и отключается (выравнивается) примерно при входных 1,12 вольт. Это довольно большой коэффициент усиления по напряжению с диапазоном выходного напряжения 15,75 В и диапазоном входного напряжения всего 0,42 В: такой коэффициент усиления равен 37,5 (или 31,48 дБ). Также обратите внимание на то, как выходное напряжение (параметр «rload» в коде) превышает напряжение источника питания (15 вольт) при насыщении из-за эффекта последовательного включения источника входного напряжения.
Проведём ещё один анализ SPICE, на этот раз с источником питания переменного тока (и напряжением смещения постоянного тока). Здесь та же история: наблюдается высокий коэффициент усиления по напряжению.
Пример схемы
Рис. 5. Схема с общей базой для анализа SPICE (при переменном токе).
Как видите, и входные и выходные сигналы на рисунке 6 ниже синфазны друг с другом. Это говорит о том, что усилительный каскад с общей базой не является инвертирующим.
Анализ SPICE (при переменном токе) в таблице ниже на одной частоте 2 кГц предоставляет входные и выходные напряжения для расчёта усиления.
SPICE-анализ: Общая база, переменный ток на частоте 2 кГц
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
Результат работы оператора «.print ac vm(5,2) vm(4,3)»
frequency
mag(v(5,2))
mag(v(4,3))
0.000000e+00
1.000000e-01
4.273864e+00
Значения напряжения из этого анализа показывают усиление напряжения 42,74 (4,274 В / 0,1 В), или 32,617 дБ:
Рис. 7. Из полученных в результате SPICE-анализа данных рассчитываем альфа-коэффициент.
Вот ещё один вид схемы (рисунок 8 ниже), суммирующий фазовые соотношения и смещения постоянного тока различных сигналов в только что смоделированной схеме.
Рис. 8. Фазовые отношения и смещения для усилителя с общей базой NPN.
… а заодно и для транзистора PNP:
Рис. 9. Фазовые отношения 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, где коэффициент усиления по напряжению либо задавался соотношением двух резисторов (общий эмиттер), либо фиксировался на неизменном значении (общий коллектор), коэффициент усиления по напряжению усилительного каскада с общей базой в значительной степени зависит от величины смещения постоянного тока на входном сигнале. Как оказалось, внутреннее сопротивление транзистора между эмиттером и базой играет важную роль в определении усиления по напряжению, и это сопротивление изменяется с разными уровнями тока, проходящего через эмиттер.
Хотя это явление объяснить непросто, его довольно легко показать с помощью компьютерного моделирования. Проведём снова моделирование SPICE на схеме усилителя с общей базой (рисунок 5 выше), только слегка изменим напряжение смещения постоянного тока (идентификатор «vbias» в коде программы), сохраняя при этом постоянную амплитуду сигнала переменного тока и прочие параметры схемы. При изменении коэффициента усиления напряжения от одного моделирования к другому будут наблюдаются разные амплитуды выходного напряжения.
Хотя все эти анализы проводятся в режиме «Transfer function» («Функция передачи»), каждый из них был сначала «проверен» в режиме анализа переходных процессов (о чём свидетельствуют зависимость напряжения от времени на графиках), что даёт гарантию, что вся волна точно воспроизводится, а не «срезается» из-за неправильного смещения. Оператор «* .tran 0,02 м 0,78 м» (ниже), это «закомментированный» отчёт по анализу переходных процессов. Расчёт усиления не может основываться на искажённых формах сигналов. SPICE может рассчитать усиление по постоянному току для слабого сигнала с помощью оператора «.tf v (4) vin». На выходе будет «v(4)», а на входе – «vin».
SPICE-анализ: режим «Функция передачи», общая база (усиление по напряжению), для различных напряжений смещения постоянного тока
Обратите внимание на инструкцию «.tf v(4) vin». Это и есть функция передачи для усиления постоянного тока I(vin)/Iin.
Если в командной строке ввести «spice -b имя_файла.cir», то произойдёт печать того, что выдавал оператор «.tf»: будут напечатаны значения для «transfer_function», «output_impedance» и «input_impedance» (соответственно означающих функция передачи, входной и выходной импедансы). Вот (несколько сокращённый) список выходных данных, при нескольких прогонах программы с различными значениями «vbias» (при 0,85; 0,90; 0,95; 1,00 В).
Выходные данные SPICE-анализа (функция передачи для усилителя с общей базой):
Transfer function information: * Информация о функции передачи transfer function = 9.900990e-01 * Функция передачи iin input impedance = 9.900923e+11 * Входной импеданс v1 output impedance = 1.000000e+20 * Выходной импеданс
Тенденция очевидна. С увеличением напряжения смещения постоянного тока также увеличивается коэффициент усиления по напряжению («transfer_function»). Видим, что коэффициент усиления по напряжению увеличивается, потому что каждое последующее моделирование (vbias = 0,85; 0,8753; 0,90; 0,95; 1,00 В) даёт всё большее усиление (transfer_function = 37,6; 39,4; 40,8; 42,7; 44,0 соответственно). Изменения в значительной степени связаны с незначительными изменениями напряжения смещения.
Третья снизу строка в последнем SPICE-анализе («Усиление по току в усилительном каскаде с общей базой») показывает усиление тока I(v1)/Iin, равное 0,99 (последние две строки выглядят некорректными). Это имеет смысл для β = 100; α = β / (β + 1) = 100 / (100 + 1) = 0,99. Комбинация низкого коэффициента усиления по току (всегда меньше 1) и несколько непредсказуемого коэффициента усиления по напряжению делает данную конфигурацию с общей базой пригодной лишь в некоторых специфических случаях.
Это, к примеру, может быть приложение с усилителем радиочастоты. Заземлённая база помогает экранировать вход эмиттера от выхода коллектора, предотвращая нестабильность ВЧ-усилителей. Общая база в конфигурации может использоваться на более высоких частотах, чем общий эмиттер или общий коллектор. Об этом будет подробнее рассказано в главе 9 «Практические аналоговые полупроводниковые схемы», в которой рассмотрим ВЧ-усилитель с мощностью 750 мВт с общей базой класса C. В той же главе рассматривается и ещё более сложная схема усилительного каскада с общей базой и малым сигналом с высоким коэффициентом усиления.
Итог
Транзисторные усилительные каскады с общей базой так называются, потому что точки входа и выхода напряжения совместно используют общий вывод базы транзистора, если не брать во внимание какие-либо источники питания.
Коэффициент усиления по току усилителя с общей базой всегда меньше 1. Коэффициент усиления по напряжению зависит от входного и выходного сопротивлений, а также внутреннего сопротивления перехода эмиттер/база, которое может изменяться при изменении напряжения смещения постоянного тока. В общем, коэффициент усиления по напряжению усилителя с общей базой может быть весьма высоким.
Отношение коллекторного тока транзистора к эмиттерному току называется α (альфа-коэффициент). Значение α для любого транзистора всегда меньше единицы (< 1).
