Усилитель с общей базой

7340
0
23 сентября 2009
Одним из вариантов усилителя на транзисторах (см. рисунок ниже) является конфигурация с общей базой. Данная конфигурация несколько сложнее двух других (с общем эмиттером и общим коллектором) и используется значительно реже ввиду своих необычных рабочих характеристик.

.

03114.png

Усилитель с общей базой

Данная конфигурация называется усилителем с общей базой, потому что (не принимая в расчёт источник питания постоянного тока) база транзистора служит общей точкой для источника сигнала и нагрузки (см. рисунок ниже) .

03115.png

Усилитель с общей базой: вход — между эмиттером и базой, выход — между коллектором и базой

Пожалуй, самой поразительной особенностью этой конфигурации является то, что источник входного сигнала должен нести полный ток эмиттера транзистора, что показано жирными стрелками на первом рисунке. Как известно, ток эмиттера больше, чем любой другой ток транзистора, поскольку он является суммой токов базы и коллектора. В двух других конфигурациях усилителя источник сигнала был соединён с выводом базы транзистора, то есть здесь создавался наименьший ток.

Поскольку входной ток превышает все другие токи в цепи, в том числе выходной ток, коэффициент усиления по току в действительности составляет менее единицы (обратите внимание на то, что резистор R load соединён с коллектором, поэтому ток здесь будет немного меньше, чем ток источник сигнала). Иными словами, ток будет не усиливаться, а ослабляться . В усилителях с общим эмиттером и общим коллектором наиболее тесно связанным с усилением параметром транзистора был коэффициент ?. В схемах с общей базой мы имеем дело с другим параметром транзистора: отношением между током коллектора и током эмиттера, которое всегда меньше единицы. Данное значение является коэффициентом усиления по току в схеме с общей базой и часто обозначается греческой буквой ? (альфа).

Поскольку очевидно, что в данной конфигурации не может происходить увеличения сигнала тока, то разумно предположить, что она обеспечивает возможность усиления напряжение сигнала. Представленная на рисунке ниже SPICE-модель доказывает правильность данного предположения.

03116.png

Схема усилителя с общей базой для проведения SPICE-анализа

23011.png

 
Усилитель с общей базой
vin 0 1
r1 1 2 100
q1 4 0 2 mod1к
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

Передаточная функция по постоянному току усилителя с общей базой

Обратите внимание, что на рисунке выше выходное растёт практически с нуля (отсечка) до 15,75 В (насыщение) при изменении входного напряжения в диапазоне от 0,6 вольт до 1,2 вольт. В действительности, кривая на графике выходного напряжения не поднимается в диапазоне входного напряжения до 0,7 В и становится плоской при входном напряжении около 1,12 вольт. То есть мы наблюдаем довольно высокий коэффициент усиления по напряжению (рост выходного напряжения составляет 15,75 В, а рост входного напряжения составляет лишь 0,42 В): коэффициент усиления равен 37,5 или же 31,48 дБ. Заметьте также, что выходное напряжение (измеряется на резисторе R load) фактически превышает напряжение питания (15 В) при насыщении, в связи с эффектом согласно-последовательного соединения источника входного напряжения.

Следующий SPICE-анализ (схема на рисунке ниже) с источником сигнала переменного тока (и смещением постоянным током) свидетельствует о том же: высокий коэффициент усиления по напряжению.

03117.png

Схема усилителя с общей базой для SPICE-анализа с источником переменного тока

 

Как видно, формы кривой входных и выходных сигналов на рисунке ниже совпадают по фазе. Это говорит нам о том, что усилитель с общей базой является неинвертирующим.

23012.png

 
Усилитель с общей базой
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

SPICE-анализ схемы с источником переменного тока в таблице ниже на частоте 2 кГц даёт возможность вычисления входного и выходного напряжения.

Анализ усилителя с общей базой и источником переменного тока при частоте 2 кГц и список соединений.

Усилитель с общей базой                                                          
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    

frequency       mag(v(5,2))     mag(v(4,3))
--------------------------------------------
0.000000e+00    1.000000e-01    4.273864e+00

Значения напряжения во второй таблице (см. выше) дают коэффициент усиления напряжения равный 42,74 (4,274 В / 0,1 В) или 32,617 дБ:

13022.png

Ниже показан другой вариант схемы, который иллюстрирует все фазовые отношения и смещения постоянным током для различных сигналов в схеме, моделирование которой было выполнено.

03118_show.png

Фазовые отношения и напряжение смещения усилителя с общей базой на NPN-транзисторе

. . ., а ниже показан рисунок для усилителя на PNP-транзисторе.

03119_show.png

Фазовые отношения и напряжение смещения усилителя с общей базой на PNP-транзисторе

Предсказать коэффициент усиления напряжения в усилителе с общей базой довольно сложно и для этого требуются приближённые значения определённых параметров транзистора, которые зачастую трудно измерить непосредственно. В отличие от прочих конфигураций усилительных каскадов, в которых усиление по напряжению определялось либо как отношение номиналов двух резисторов (конфигурация с общим эмиттером), либо оставалось на фиксированном уровне (конфигурация с общим коллектором), коэффициент усиления по напряжению усилителя с общей базой зависит в большой степени от смещения постоянным током. Как оказывается, внутреннее сопротивление транзистора между эмиттером и базой играет главную роль в определении усиления напряжения, и это сопротивление различно при различных уровнях тока на эмиттере.

Хотя это явление трудно объяснить, его довольно легко продемонстрировать с помощью компьютерного моделирования. Мы создадим несколько SPICE-моделей для схемы усилителя с общей базой, незначительно изменяя напряжения смещения постоянным током (параметр vbias на рисунке ниже), сохраняя при этом амплитуду сигнала переменного тока и все остальные параметры схемы. По мере изменения усиления по напряжению от одной модели к другой, можно отметить различные амплитуды выходного напряжения.

Хотя все эти модели проводятся в режиме «передаточной функции», каждая из них была предварительно «проверена» в «динамическом» режиме (график напряжения в динамике по времени), чтобы убедиться, что воспроизводится вся кривая и не происходит её «ограничения» в связи с некорректным смещением. (см. «закоментированный“ оператор динамического анализа "*.tran 0.02m 0.78m» на рисунке ниже). Вычисления коэффициента не могут проводиться на основе искажённых форм кривой сигнала. Программа SPICE может вычислить коэффициент усиления сигнала постоянного тока при использовании оператора “.tf v (4) vin”. Выход представлен параметром v (4), а вход — параметром vin.

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
 
Усилитель с общей базой, коэффициент усиления по току
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
Transfer function information:
передаточная функция = 9.900990e-01
iin полное входное сопротивление = 9.900923e+11
v1 полное выходное сопротивление = 1.000000e+20

Список соединений SPICE: усилитель с общей базой, передаточная функция (усиление напряжения) при различных напряжениях смещения. Список соединений SPICE: усилитель с общей базой, усиление по току; обратите внимание на оператор .tf v (4) vin. Передаточная функция, усиление по току ; обратите внимание на оператор .tf I (vin) Iin.

При использовании в командной строке, spice -b filename.cir осуществляется вывод на печать, что связано с наличием оператора .tf : transfer_function, output_impedance, input_impedance. Сокращённый листинг результатов для напряжения смещения (vbias) 0,85, 0,90, 0,95, 1,00 В дан в таблице ниже.

SPICE output: Common-base transfer function.

Circuit: common-base amp 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
Transfer function information:
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 amp 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
 

Тенденция становится понятной из приведённой выше таблицы. При увеличении постоянного смещения происходит увеличение усиления по напряжению (transfer_function). Мы видим, что усиление по напряжению увеличивается, потому что при каждом последующем моделировании (vbias= 0.85, 0.8753, 0.90, 0.95, 1.00 V) мы получаем больший коэффициент усиления (transfer_function= 37.6, 39.4 40.8, 42.7, 44.0). Изменения в основном связаны с незначительным изменением напряжения смещения.

Последние три строки таблицы выше(справа) показывают I (v1)/Iin коэффициент усиления по току 0,99. Это имеет смысл в случае ? = 100; ? = ? / (? 1), ? = 0,99 = 100 / (100-1). Сочетание низкого усиления по току (всегда меньше единицы) и несколько непредсказуемого усиления по напряжению нельзя назвать достоинствами схемы с общей базой, что сводит её практическое применение лишь к узкому кругу схем, среди которых можно назвать высокочастотный усилитель. Заземлённая база позволяет оградить вход эмиттера от выхода коллектора, предотвращая таким образом нестабильность радиочастотных усилителей. Конфигурации с общей базой находит своё применение при высоких частотах, действуя лучше усилителей с общим эмиттером или общим коллектором.

  • РЕЗЮМЕ:

  • Усилители с общей базой получили своё название в связи с тем фактом, что входное и выходное напряжения имеют общую точку на базе транзистора (без учёта источников питания).

  • Коэффициент усиления по току подобного усилителя всегда меньше единицы. Коэффициент усиления по напряжению зависит от входного и выходного сопротивлений, а также внутреннего сопротивления перехода эмиттер-база, которое может изменяться при изменении напряжения смещения. Достаточно сказать, что усиление по напряжению усилителя с общей базой может быть очень высоким.

  • Отношение тока коллектора транзистора к току эмиттера обозначается греческой буквой ?. Коэффициент ? любого транзистора всегда меньше единицы.

 



Тактические и профессиональные фонари. В первую очередь, это светотехнические средства, пригодные для применения в экстремальных и сложных условиях, а так же техника, оптимизированная для узкого спектра задач, например подствольные фонари или фонари для дайвинга.
8497 0
Активная распределенная антенная система представляет собой двунаправленный репитер, который усиливает и дублирует выходной сотовый сигнал внутри одного помещения. Усиленный сигнал дублируется с помощью внутренней антенны. Подобным образом дублируется сотовый сигнал и за пределами здания.
3326 0
Для схемы данного интегратора подойдёт практически любая модель операционного усилителя, но в списке необходимых компонентов указана модель 1458, так как входные токи смещения этого ОУ гораздо выше. Как правило, высокий входной ток смещения считается плохой стороной того или иного операционного усилителя, если он используется в схеме усилителя постоянного тока (и особенно в схеме интегратора!).
4869 0

    Вы должны авторизоваться, чтобы оставлять комментарии.

    Радиомастер
    © 2005–2013 radiomaster.ru
    admin@radiomaster.ru
    При использовании материалов данного сайта прямая и явная ссылка на сайт radiomaster.ru обязательна. 0.4060 s