В электронике усилитель с общей базой (также известный как с заземленной базой ) представляет собой одну из трех основных топологий усилителя на однокаскадном биполярном переходном транзисторе (BJT), обычно используемом в качестве буфера тока или усилителя напряжения .
В этой схеме эмиттер транзистора служит входом, коллектор — выходом, а база соединена с землей или «общим», отсюда и его название. Аналогичная схема на полевом транзисторе представляет собой усилитель с общим затвором .
Такая схема не очень распространена в низкочастотных дискретных схемах, где она обычно используется для усилителей, которым требуется необычно низкое входное сопротивление , например, для работы в качестве предварительного усилителя для микрофонов с подвижной катушкой . Однако он популярен в интегральных схемах и усилителях высокой частоты, например, для ОВЧ и УВЧ , поскольку его входная емкость не страдает от эффекта Миллера , который ухудшает полосу пропускания конфигурации с общим эмиттером , а также из-за относительной высокая изоляция между входом и выходом. Такая высокая изоляция означает, что обратная связь между выходом и входом невелика, что приводит к высокой стабильности.
Эта конфигурация также полезна в качестве текущего буфера, поскольку ее коэффициент усиления по току равен примерно единице (см. формулы ниже). Часто таким образом используется общая база, которой предшествует каскад с общим эмиттером. Комбинация этих двух форм образует каскодную конфигурацию, которая обладает рядом преимуществ каждой конфигурации, например, высоким входным сопротивлением и изоляцией.
На низких частотах и в условиях слабого сигнала схема на рисунке 1 может быть представлена схемой на рисунке 2, где используется гибридная пи-модель для BJT. Входной сигнал представлен источником напряжения Тевенена v s с последовательным сопротивлением R s, а нагрузка представляет собой резистор RL . Эту схему можно использовать для получения следующих характеристик усилителя с общей базой.
В общем, общий коэффициент усиления по напряжению/току может быть существенно меньше, чем коэффициент усиления при разомкнутом/коротком замыкании, указанный выше (в зависимости от сопротивления источника и нагрузки) из-за эффекта нагрузки .
Для усиления напряжения диапазон допустимых колебаний выходного напряжения в этом усилителе привязан к коэффициенту усиления напряжения при использовании резисторной нагрузки R C , как показано на рисунке 1. То есть, большой коэффициент усиления напряжения требует большого R C , а это, в свою очередь, подразумевает большое падение напряжения постоянного тока на R C . Для данного напряжения питания, чем больше это падение, тем меньше V CB транзистора и тем меньшее колебание выходного сигнала допускается до того, как произойдет насыщение транзистора, что приведет к искажению выходного сигнала. Чтобы избежать такой ситуации, можно использовать активную нагрузку , например, токовое зеркало . Если сделан этот выбор, значение R C в таблице выше заменяется выходным сопротивлением слабого сигнала активной нагрузки, которое обычно не меньше, чем r O активного транзистора на рисунке 1. с другой стороны, падение напряжения постоянного тока на активной нагрузке имеет фиксированное низкое значение ( напряжение соответствия активной нагрузки), намного меньше, чем падение напряжения постоянного тока, возникающее при сопоставимом усилении с использованием резистора R C . То есть активная нагрузка накладывает меньше ограничений на размах выходного напряжения. Обратите внимание, что активная нагрузка или нет, большой коэффициент усиления по переменному току по-прежнему связан с большим выходным сопротивлением переменного тока, что приводит к плохому разделению напряжения на выходе, за исключением больших нагрузок R L ≫ R out .
При использовании в качестве токового буфера R C не влияет на коэффициент усиления , но влияет на выходное сопротивление. Из-за разделения тока на выходе желательно, чтобы выходное сопротивление буфера было намного больше, чем управляемая нагрузка RL , чтобы на нагрузку можно было подавать большие сигнальные токи. Если используется резистор R C , как показано на рисунке 1, большое выходное сопротивление соединяется с большим R C , что снова ограничивает размах сигнала на выходе. (Несмотря на то, что ток подается на нагрузку, обычно большой сигнал тока в нагрузке подразумевает также большой размах напряжения на нагрузке.) Активная нагрузка обеспечивает высокое выходное сопротивление переменного тока с гораздо менее серьезным влиянием на амплитуду размаха выходного сигнала. .
Несколько примеров приложений подробно описаны ниже. Далее следует краткий обзор.
Для случая, когда в качестве усилителя напряжения используется схема с общей базой, схема показана на рисунке 2.
Выходное сопротивление велико, не менее R C || r O , значение, которое возникает при низком импедансе источника ( RS ≪ r E ) . Большое выходное сопротивление нежелательно в усилителе напряжения, так как приводит к плохому делению напряжения на выходе. Тем не менее, прирост по напряжению заметен даже при небольших нагрузках: согласно таблице, при R S = r E прирост составляет A v = g m R L / 2 . Для больших импедансов источника коэффициент усиления определяется соотношением резисторов R L / R S , а не свойствами транзистора, что может быть преимуществом, когда важна нечувствительность к температуре или изменениям транзистора.
Альтернативой использованию модели гибридного пи для этих расчетов является общий метод, основанный на двухпортовых сетях . Например, в таком приложении, где выходным сигналом является напряжение, для простоты можно выбрать двухпортовый преобразователь, эквивалентный g, поскольку в нем используется усилитель напряжения в выходном порту.
Для значений R S вблизи r E усилитель является переходным между усилителем напряжения и буфером тока. Для RS ≫ r E представление драйвера в виде источника Thévenin должно быть заменено представлением в виде источника Norton . Схема с общей базой перестает вести себя как усилитель напряжения и ведет себя как повторитель тока, как обсуждается далее.
На рисунке 3 показан усилитель с общей базой, используемый в качестве повторителя тока. Сигнал схемы обеспечивается источником переменного тока Нортона (ток I S , сопротивление Нортона R S ) на входе, а на выходе схема имеет резисторную нагрузку R L .
Как упоминалось ранее, этот усилитель является двусторонним из-за выходного сопротивления r O , которое соединяет выход со входом. В этом случае выходное сопротивление велико даже в худшем случае (оно не менее r O || R C и может стать (β + 1) r O || R C для больших R S ). Большое выходное сопротивление является желательным атрибутом источника тока, поскольку при благоприятном разделении тока большая часть тока передается в нагрузку. Текущий коэффициент усиления почти равен единице, пока R S ≫ r E .
Альтернативный метод анализа основан на двухпортовых сетях . Например, в таком приложении, где выходным сигналом является ток, выбирается двухпортовый преобразователь h-эквивалента, поскольку в выходном порту используется усилитель тока.
