De Common-base versterker

De uiteindelijke configuratie van de transistorversterker (figuur hieronder) die we moeten bestuderen, zijn de common-base-versterkers . Deze configuratie is complexer dan de andere twee en komt minder vaak voor vanwege de vreemde werkingskenmerken.

Common-base versterker

Waarom wordt het een Common-base versterker genoemd?

Het heet de common-base configuratie omdat (gelijkstroombron terzijde), de signaalbron en de belasting de basis van de transistor delen als een gemeenschappelijk verbindingspunt dat wordt weergegeven in het onderstaande figuur.

Common-base versterker:ingang tussen zender en basis, uitgang tussen collector en basis.

Misschien wel het meest opvallende kenmerk van deze configuratie is dat de ingangssignaalbron de volledige emitterstroom van de transistor moet dragen, zoals aangegeven door de zware pijlen in de eerste afbeelding. Zoals we weten, is de emitterstroom groter dan elke andere stroom in de transistor, zijnde de som van basis- en collectorstromen. In de laatste twee versterkerconfiguraties was de signaalbron aangesloten op de basiskabel van de transistor, waardoor de minste stroom mogelijk.

Verzwakking van stroom in common-base versterkers

Omdat de ingangsstroom alle andere stromen in het circuit overschrijdt, inclusief de uitgangsstroom, is de stroomversterking van deze versterker minder dan 1 (merk op hoe Rload is aangesloten op de collector en dus iets minder stroom draagt ​​dan de signaalbron). Met andere woorden, het verzwakt stroom in plaats van versterkend het. Met common-emitter en common-collector versterkerconfiguraties was de transistorparameter die het meest geassocieerd werd met versterking β. In het common-base circuit volgen we een andere fundamentele transistorparameter:de verhouding tussen collectorstroom en emitterstroom, die altijd een fractie kleiner is dan 1. Deze fractionele waarde voor elke transistor wordt de alpha genoemd. verhouding, of α verhouding.

Signaalspanning verhogen in Common-base versterkers

Aangezien het duidelijk de signaalstroom niet kan verhogen, lijkt het alleen redelijk om te verwachten dat het de signaalspanning verhoogt. Een SPICE-simulatie van het circuit in de onderstaande afbeelding zal die veronderstelling bevestigen.

Common-base circuit voor DC SPICE-analyse.

common-base versterker 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 

Common-base versterker DC-overdrachtsfunctie n.

Merk in de bovenstaande afbeelding op dat de uitgangsspanning van praktisch niets (cutoff) naar 15,75 volt (verzadiging) gaat, waarbij de ingangsspanning over een bereik van 0,6 volt tot 1,2 volt loopt. De uitgangsspanningsgrafiek vertoont geen stijging tot ongeveer 0,7 volt aan de ingang en wordt afgesneden (vlakt af) bij ongeveer 1,12 volt ingang. Dit vertegenwoordigt een vrij grote spanningsversterking met een uitgangsspanningsbereik van 15,75 volt en een ingangsspanningsbereik van slechts 0,42 volt:een versterkingsratio van 37,5 of 31,48 dB. Merk ook op hoe de uitgangsspanning (gemeten over Rload) de voeding (15 volt) overschrijdt bij verzadiging, vanwege het serie-ondersteunende effect van de ingangsspanningsbron.

De tweede set SPICE-analyses met een AC-signaalbron (en DC-biasspanning) vertelt hetzelfde verhaal:een hoge spanningsversterking

Voorbeeldschakeling

Common-base circuit voor SPICE AC-analyse.

Zoals u kunt zien, zijn de ingangs- en uitgangsgolfvormen in onderstaande afbeelding in fase met elkaar. Dit vertelt ons dat de common-base versterker niet-inverterend is.

common-base versterker 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 

De AC SPICE-analyse in onderstaande tabel bij een enkele frequentie van 2 kHz levert ingangs- en uitgangsspanningen voor versterkingsberekening.

Common-base AC-analyse bij 2 kHz – netlijst gevolgd door output.

 common-base versterker 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) .eindfrequentie mag(v(5,2)) mag(v(4,3))—————————————————— ————0.000000e+00 1.000000e-01 4.273864e+00

Spanningscijfers uit de tweede analyse (tabel hierboven) tonen een spanningsversterking van 42,74 (4,274 V / 0,1 V), of 32,617 dB:

Hier is nog een weergave van het circuit in de onderstaande afbeelding, waarin de faserelaties en DC-offsets van verschillende signalen in het circuit worden samengevat die zojuist zijn gesimuleerd.

Faserelaties en offsets voor NPN gemeenschappelijke basisversterker.

. . . en voor een PNP-transistor:Afbeelding hieronder.

Faserelaties en offsets voor PNP gemeenschappelijke basisversterker.

Voorspellen van spanningsversterking

Het voorspellen van spanningsversterking voor de common-base versterkerconfiguratie is vrij moeilijk en omvat benaderingen van transistorgedrag die moeilijk direct te meten zijn. In tegenstelling tot de andere versterkerconfiguraties, waar de spanningsversterking ofwel werd ingesteld door de verhouding van twee weerstanden (common-emitter) of vastgezet op een onveranderlijke waarde (common-collector), hangt de spanningsversterking van de common-base versterker grotendeels af van de hoeveelheid DC-bias op het ingangssignaal. Het blijkt dat de interne transistorweerstand tussen emitter en basis een belangrijke rol speelt bij het bepalen van de spanningsversterking, en deze weerstand verandert met verschillende stroomniveaus door de emitter.

Hoewel dit fenomeen moeilijk te verklaren is, is het vrij eenvoudig aan te tonen door middel van computersimulaties. SPICE-simulaties op een common-base versterkercircuit (figuur vorige), waarbij de DC-voorspanning enigszins wordt gewijzigd (vbias in figuur hieronder) terwijl de AC-signaalamplitude en alle andere circuitparameters constant worden gehouden. Naarmate de spanningsversterking verandert van de ene simulatie naar de andere, zullen verschillende amplitudes van de uitgangsspanning worden opgemerkt.

Hoewel deze analyses allemaal zullen worden uitgevoerd in de modus "overdrachtsfunctie", werd elk eerst "bewezen" in de transiënte analysemodus (spanning uitgezet in de tijd) om ervoor te zorgen dat de hele golf getrouw werd gereproduceerd en niet "afgeknipt" vanwege onjuiste vooringenomen. Zie "*.tran 0,02m 0,78m" in onderstaande afbeelding, de verklaring voor tijdelijke analyse met "uitgecommentarieerd". Versterkingsberekeningen kunnen niet worden gebaseerd op golfvormen die vervormd zijn. SPICE kan de DC-versterking met klein signaal voor ons berekenen met de instructie ".tf v (4) vin". De uitvoer is v(4) en de invoer als vin .

common-base versterker 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 

 common-base amp stroomversterking 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 Overdrachtsfunctie-informatie:overdrachtsfunctie =9.900990e-01 iin ingangsimpedantie =9.900923e+11 v1 uitgangsimpedantie =1.000000e+20

SPICE-netlijst:Common-base, overdrachtsfunctie (spanningsversterking) voor verschillende DC-biasspanningen. SPICE-netlijst:Common-base amp-stroomversterking; Let op de .tf v(4) vin-instructie. Overdrachtsfunctie voor gelijkstroomversterking I(vin)/Iin; Opmerking .tf I(vin) Iin-statement.

Op de opdrachtregel, spice -b bestandsnaam.cir produceert een afgedrukte uitvoer dankzij de .tf statement:transfer_function, output_impedance en input_impedance. De verkorte uitvoerlijst is van runs met vbias bij 0,85, 0,90, 0,95, 1,00 V zoals vermeld in onderstaande tabel.

SPICE-uitvoer:Common-base overdrachtsfunctie.

 Circuit:common-base versterker vbias=0.85V transfer_function =3.756565e+01 output_impedance_at_v(4) =5.000000e+03 vin#input_impedance =1.317825e+02 Circuit:common-base amp vbias=0.8753V Ic=1 mA Overdrachtsfunctie-informatie:transfer_function =3.942567e+01 output_impedance_at_v(4) =5.000000e+03 vin#input_impedance =1.255653e+02 Circuit:common-base amp vbias=0.9V transfer_function =4.079542e+01 output_impedance_at_v(4) =5.000000e +03 vin#input_impedance =1.213493e+02 Circuit:common-base versterker vbias=0.95V transfer_function =4.273864e+01 output_impedance_at_v(4) =5.000000e+03 vin#input_impedance =1.158318e+02 Circuit:common-base amp vbias =1.00V transfer_function =4.401137e+01 output_impedance_at_v(4) =5.000000e+03 vin#input_impedance =1.124822e+02

Een trend zou duidelijk moeten zijn in de bovenstaande tabel. Met een toename van de DC-biasspanning neemt ook de spanningsversterking (transfer_function) toe. We kunnen zien dat de spanningsversterking toeneemt omdat elke volgende simulatie (vbias=0,85, 0,8753, 0,90, 0,95, 1,00 V) een grotere versterking oplevert (transfer_function=37,6, 39,4 40,8, 42,7, 44,0), respectievelijk. De veranderingen zijn grotendeels te wijten aan minuscule variaties in de voorspanning.

De laatste drie regels van de tabel hierboven (rechts) tonen de I(v1)/Iin huidige winst van 0,99. (De laatste twee regels zien er ongeldig uit.) Dit is logisch voor β=100; α=β/(β+1), α=0,99=100/(100-1). De combinatie van lage stroomversterking (altijd minder dan 1) en enigszins onvoorspelbare spanningsversterking zweert samen tegen het gemeenschappelijke ontwerp, waardoor het wordt gedegradeerd tot een paar praktische toepassingen.

Die paar toepassingen omvatten radiofrequentieversterkers. De geaarde basis helpt de ingang bij de emitter af te schermen van de collectoruitgang, waardoor instabiliteit in RF-versterkers wordt voorkomen. De gemeenschappelijke basisconfiguratie is bruikbaar bij hogere frequenties dan de gemeenschappelijke emitter of gemeenschappelijke collector. Zie "Klasse C common-base 750 mW RF-vermogensversterker" hoofdstuk 9. Voor een meer uitgebreide schakeling, zie "Klasse A common-base klein signaal high-gainversterker" hoofdstuk 9.

BEOORDELING:

• Gemeenschappelijke basis transistorversterkers worden zo genoemd omdat de ingangs- en uitgangsspanningspunten de basiskabel van de transistor met elkaar delen, zonder rekening te houden met voedingen.
• De stroomversterking van een common-base versterker is altijd minder dan 1. De spanningsversterking is een functie van ingangs- en uitgangsweerstanden, en ook de interne weerstand van de emitter-basisovergang, die onderhevig is aan verandering met variaties in DC-voorspanning. Het volstaat te zeggen dat de spanningsversterking van een common-base versterker erg hoog kan zijn.
• De verhouding van de collectorstroom van een transistor tot de emitterstroom wordt α genoemd. De α-waarde voor elke transistor is altijd kleiner dan één, of met andere woorden, kleiner dan 1.

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Werkblad Klasse A BJT-versterkers