Common-Base Transistorversterkers: Ontwerp, Analyse en Toepassingen

Overzicht

De common-base versterker is de meest ongebruikelijke van de drie basale transistorconfiguraties, voornamelijk omdat de werkende eigenschappen sterk afwijken van common-emitter en common-collector schakelingen. Deze sectie onderzoekt de structuur, belangrijke prestatiekenngetallen en typische toepassingen.

Waarom de Naam "Common-Base"?

In deze topologie delen de signaalbron en de last de basisansluiting van de transistor als gemeenschappelijk knooppunt (behalve de voeding). De invoer wordt toegepast tussen emitter en basis, terwijl de uitgang wordt afgetapt tussen collector en basis, zoals in het onderstaande diagram getoond.

Omdat de emitterstroom door de invoerbron moet vloeien, moet het invoersignaal de volledige emitterstroom dragen—doorgaans de grootste stroom in het toestel. Gevolg kan de invoerstroom aanzienlijk groter zijn dan de uitvoerstroom.

Stroomdemping en Alpha

Omdat de emitterstroom domineert, is de stroomwinst (uitvoerstroom / invoerstroom) altijd kleiner dan één. Dit staat in contrast met common-emitter en common-collector trappen, waar β (beta) de sleutelparameter is. Voor de common-base trap is de relevante parameter α (alpha), de verhouding van collector- tot emitterstroom. Per definitie is 0 < α < 1, wat de inherent stroomdemping verklaart.

Spanningswinst Kenmerken

Hoewel de common-base trap geen stroom kan versterken, kan het een aanzienlijke spanningswinst bieden. Een SPICE-simulatie van het onderstaande circuit bevestigt dit gedrag:

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

De DC-overdrachtskromme toont de uitgangsspanning die stijgt van bijna nul (afknippen) naar 15,75 V terwijl de invoerspanning loopt van 0,6 V tot 1,2 V. De spanningswinst, gedefinieerd als de verhouding van het uitgangsbereik (15,75 V) tot het invoerbereik (0,42 V), is 37,5 (≈ 31,5 dB). De uitgang kan de voedingsspanning overschrijden door het serie-ondersteunende effect van de invoerbron.

Een vergelijkbare trend verschijnt in de AC-simulatie, waar invoer en uitgang in fase zijn, wat bevestigt dat de common-base trap niet-inverterend is.

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

Bij 2 kHz levert de AC-analyse een spanningswinst van 42,74 (≈ 32,6 dB). Het fasediagram hieronder illustreert de signaalrelaties en DC-offsets voor zowel NPN als PNP toestellen.

Voorspellen van Spanningswinst

In tegenstelling tot de andere twee configuraties, hangt de spanningswinst van een common-base versterker sterk af van het DC-biaspunt. De dynamische weerstand van de emitter-basis overgang verandert met de emitterstroom, wat analytische voorspellingen bemoeilijkt. Computersimulaties vangen dit gedrag effectief op. Bijvoorbeeld, het variëren van de biasspanning bij constant houden van de AC-amplitude verandert de winst, zoals in de onderstaande tabel getoond.

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

De SPICE-uitvoer voor biaswaarden van 0,85 V tot 1,00 V toont een duidelijke trend: de overdrachtsfunctie (spanningswinst) stijgt van 37,6 tot 44,0 naarmate de bias toeneemt. De bijbehorende invoerimpedantie daalt iets, terwijl de uitgangsimpedantie vast blijft op 5 kΩ.

In alle gevallen zweeft de stroomwinst (I(v1)/Iin) rond 0,99, consistent met α ≈ β/(β+1) voor β ≈ 100.

Praktische Toepassingen

Vanwege de hoge spanningswinst, lage invoerimpedantie en verminderde gevoeligheid voor parasitaire capaciteiten, wordt de common-base topologie favoriet in radiofrequente (RF) versterkers en hoogspoor signaalpaden. De geaarde basis biedt uitstekende afscherming van de emitter-invoer tegen collector-ruis, wat de stabiliteit op hoge frequenties verbetert. Klassieke voorbeelden zijn klasse-C RF-vermogensversterkers en klasse-A kleinsignaal hoge-versterking trappen.

Kernpunten

• De basisaansluiting is gemeenschappelijk voor zowel in- als uitgang, wat de naam definieert.
• Stroomwinst is altijd < 1; spanningswinst kan erg hoog zijn en hangt af van bias.
• Alpha (α) bepaalt de stroomverhouding; het blijft onder eenheid voor alle transistoren.

Meer Lezen

• Class A BJT Versterkers Werkblad