Zajednička baza

U elektronici, pojačalo sa zajedničkom bazom (takođe poznato kao uzemljena baza ) je jedno od tri osnovne topologije jednostepenih bipolarnih tranzistora, koje se obično koriste kao strujni bafer ili naponski pojačavač .

U ovom kolu emiterski terminal tranzistora služi kao ulaz, kolektor kao izlaz, a baza je povezana sa uzemljenjem, ili "zajednička", otuda i njegovo ime. Analogno kolo tranzistora sa efektom polja je pojačalo sa zajedničkim izvorom.

Aplikacije[uredi | uredi izvor]

Ova postavka nije baš uobičajena u niskofrekventnim diskretnim kolima, gde se obično koristi za pojačala koja zahtevaju neobično nisku ulaznu impedansu, na primer da deluje kao pretpojačalo za mikrofone sa pokretnim zavojnicama. Međutim, popularan je u integrisanim kolima i visokofrekventnim pojačivačima, na primer za VVF i UF, jer njegov ulazni kapacitet ne pati od Milerovog efekta, koji degradira propusni opseg konfiguracije zajedničkog emitera, i zbog relativno visoke izolacije između ulaza i izlaza. Ova visoka izolacija znači da postoji malo povratnih informacija od izlaza nazad do ulaza, što dovodi do visoke stabilnosti.

Ova konfiguracija je takođe korisna kao trenutni bafer, pošto ima trenutni dobitak od približno jedinice (vidite formule ispod). Često se na ovaj način koristi zajednička baza, kojoj prethodi stepen zajedničkog emitera. Kombinacija ova dva čini kaskodnu konfiguraciju, koja poseduje nekoliko prednosti svake konfiguracije, kao što su visoka ulazna impedansa i izolacija.

Niskofrekventne karakteristike[uredi | uredi izvor]

Na niskim frekvencijama i pod uslovima malog signala, kolo na slici 1 može biti predstavljeno onim na slici 2, gde je korišćen hibridni pi model za bipolarni tranzistor. Ulazni signal je predstavljen Teveninovim izvorom napona v_s sa serijskim otporom R _s, a opterećenje je otpornik R_L. Ovo kolo se može koristiti za izvođenje sledećih karakteristika pojačivača sa zajedničkom bazom.

	Definicija	Izraz	Približan izraz	Uslovi
Pojačanje napona otvorenog kola	${A_{v}}=\left.{\frac {v_{\text{o}}}{v_{\text{i}}}}\right\|_{R_{L}=\infty }$	${\frac {(g_{m}r_{\text{o}}+1)R_{C}}{R_{C}+r_{o}}}$	$g_{m}R_{C}$	$r_{o}\gg R_{C}$
Pojačanje struje kratkog spoja	$A_{i}=\left.{i_{\text{o}} \over i_{\text{i}}}\right\|_{R_{L}=0}$	${\frac {r_{\pi }+\beta r_{o}}{r_{\pi }+(\beta +1)r_{o}}}$	$1$	$\beta \gg 1$
Ulazni otpor	$R_{\text{in}}={\frac {v_{i}}{i_{i}}}$	${\frac {(r_{o}+R_{C}\parallel R_{L})r_{E}}{r_{o}+r_{E}+{\frac {R_{C}\parallel R_{L}}{\beta +1}}}}$	$r_{e}\left(\approx {\frac {1}{g_{m}}}\right)$	$r_{o}\gg R_{C}\parallel R_{L}\quad \left(\beta \gg 1\right)$
Izlazni otpor	$R_{\text{out}}=\left.{\frac {v_{o}}{-i_{o}}}\right\|_{v_{s}=0}$	$R_{C}\parallel \left([1+g_{m}(r_{\pi }\parallel R_{S})]r_{o}+r_{\pi }\parallel R_{S}\right)$	${\begin{aligned}R_{C}&\parallel r_{o}\\R_{C}&\parallel \left(r_{o}\left[1+g_{m}\left(r_{\pi }\parallel R_{S}\right)\right]\right)\end{aligned}}$	${\begin{aligned}R_{S}&\ll r_{E}\\R_{S}&\gg r_{E}\end{aligned}}$

Napomena: Paralelne linije (||) označavaju paralelne komponente .

Uopšteno govoreći, ukupni napon/strujni dobitak može biti znatno manji od pojačanja otvorenog/kratkog spoja navedenih iznad (u zavisnosti od otpora izvora i opterećenja) zbog efekta opterećenja .

Aktivna opterećenja[uredi | uredi izvor]

Za pojačanje napona, opseg dozvoljenog kolebanja izlaznog napona u ovom pojačavaču je vezan za pojačanje napona kada se koristi otpornik opterećenje R_C, kao na slici 1. To jest, veliko pojačanje napona zahteva veliki R_C, a to zauzvrat podrazumeva veliki pad jednosmernog napona na R_C . Za dati napon napajanja, što je veći ovaj pad, to je manji tranzistor V_CB i manji izlazni zamah je dozvoljen pre nego što dođe do zasićenja tranzistora, sa rezultujućim izobličenjem izlaznog signala. Da bi se izbegla ova situacija, može se koristiti aktivno opterećenje, na primer, trenutno ogledalo . Ako se napravi ovaj izbor, vrednost R_C u gornjoj tabeli se zamenjuje izlaznim otporom malog signala aktivnog opterećenja, koji je generalno veliki kao r_O aktivnog tranzistora na slici 1. S druge strane, pad jednosmernog napona na aktivnom opterećenju ima fiksnu nisku vrednost ( napon usklađenosti aktivnog opterećenja), mnogo manji od pada jednosmernog napona koji je nastao za uporedivo pojačanje korišćenjem otpornika R_C . To jest, aktivno opterećenje nameće manje ograničenja za kolebanje izlaznog napona. Primetićete da je aktivno opterećenje ili ne, veliko pojačanje naizmenične struje je i dalje povezano sa velikim izlaznim otporom naizmenične struje, što dovodi do loše podele napona na izlazu osim za velika opterećenja R_L ≫ R_out .

Za upotrebu kao strujni bafer, R_C ne utiče na pojačanje, ali izlazni otpor utiče. Zbog podele struje na izlazu, poželjno je imati izlazni otpor za bafer mnogo veći od opterećenja R_L koji se pokreće, tako da velike struje signala mogu da se isporuče na opterećenje. Ako se koristi otpornik R_C, kao na slici 1, veliki izlazni otpor je povezan sa velikim R_C ponovo ograničavajući zamah signala na izlazu. (Iako se struja isporučuje opterećenju, obično veliki strujni signal u opterećenju podrazumeva i veliki napon na opterećenju.) Aktivno opterećenje obezbeđuje visok izlazni otpor naizmenične struje sa mnogo manje ozbiljnim uticajem na amplitudu promene izlaznog signala .

Pregled karakteristika[uredi | uredi izvor]

Nekoliko primera aplikacija je detaljno opisano u nastavku. Sledi kratak pregled.

Ulazna impedansa pojačavača R_in gledanju u emiterski čvor je veoma niska, data otprilike kao

R_{\text{in}}=r_{E}={\frac {V_{T}}{I_{E}}},

gde je V_T termički napon, a I_E je struja emitera jednosmerne struje.

Na primer, za V_T = 26 mV i I_E = 10 mA, prilično tipične vrednosti, R_in = 2,6 Ω . Ako se I_E smanji da bi se povećao R_in, postoje i druge posledice kao što su niža transkonduktivnost, veći izlazni otpor i niži β koje se takođe moraju uzeti u obzir. Praktično rešenje za ovaj problem niske ulazne impedanse je postavljanje stepena zajedničkog emitera na ulaz da bi se formiralo kaskodno pojačalo.

Pošto je ulazna impedansa tako niska, većina izvora signala ima veću izvornu impedansu od pojačivača sa zajedničkom bazom R_in . Posledica je da izvor isporučuje struju na ulaz, a ne napon, čak i ako je izvor napona. (Prema Nortonovoj teoremi, ova struja je približno i_in = v_S / R_S ). Ako je izlazni signal takođe struja, pojačalo je strujni bafer i isporučuje istu struju kao i ulaz. Ako se izlaz uzme kao napon, pojačalo je transotporno pojačalo i isporučuje napon koji zavisi od impedanse opterećenja, na primer v_out = i_in R_L za opterećenje otpornika R_L mnogo manje vrednosti od izlaznog otpora pojačala R_out . To jest, pojačanje napona u ovom slučaju (detaljnije objašnjeno u nastavku) je

v_{\text{out}}=i_{\text{in}}R_{L}=v_{s}{\frac {R_{L}}{R_{S}}}\Rightarrow A_{v}={\frac {v_{\text{out}}}{v_{S}}}={\frac {R_{L}}{R_{S}}}.

Imajte na umu da se za impedanse izvora takve da je R_S ≫ r_E izlazna impedansa približava R_out = R_C || [ g_m ( r_π || R_S ) r_O ].

Za poseban slučaj izvora sa veoma niskom impedansom, pojačalo sa zajedničkom bazom radi kao naponsko pojačalo, jedan od primera o kojima se govori u nastavku. U ovom slučaju (objašnjeno detaljnije u nastavku), kada R_S ≪ r_E i R_L ≪ R_out, pojačanje napona postaje

A_{v}={\frac {v_{\text{out}}}{v_{S}}}={\frac {R_{L}}{r_{E}}}\approx g_{m}R_{L},

gde je g_m = I_C / V_T transkonduktivnost. Primetite da je za nisku impedansu izvora R_out = r_O || R_C.

Uključivanje r_O u hibridni-pi model predviđa obrnuti prenos sa izlaza pojačavača na njegov ulaz, odnosno pojačavač je bilateralni. Jedna posledica ovoga je da na ulazno/izlaznu impedansu utiče impedansa završetka opterećenja/izvora, stoga, na primer, izlazni otpor R_out može da varira u opsegu r_O || R_C ≤ R_out ≤ (β + 1) r_O || R_C, u zavisnosti od otpora izvora R_S_. Pojačalo se može aproksimirati kao jednostrano kada je zanemarivanje r_O tačno (važi za mala pojačanja i niske do umerene otpore opterećenja), pojednostavljujući analizu. Ova aproksimacija se često pravi u diskretnim dizajnima, ali može biti manje precizna u RF kolima i u dizajnu integrisanih kola, gde se obično koriste aktivna opterećenja.

Pojačalo napona[uredi | uredi izvor]

Za slučaj kada se kolo sa zajedničkom bazom koristi kao pojačivač napona, kolo je prikazano na slici 2.

Izlazni otpor je veliki, najmanje R_C || r_O, vrednost koja nastaje sa niskom impedansom izvora ( R_S ≪ r_E ). Veliki izlazni otpor je nepoželjan u naponskom pojačavaču, jer dovodi do loše podele napona na izlazu. Ipak, pojačanje napona je značajno čak i za mala opterećenja: prema tabeli, sa R_S = r_E pojačanje je A_v = g_m R_L / 2 . Za veće impedanse izvora, pojačanje je određeno odnosom otpornika R_L / R_S, a ne svojstvima tranzistora, što može biti prednost tamo gde je važna neosetljivost na temperaturu ili varijacije tranzistora.

Alternativa korišćenju hibridnog pi modela za ove proračune je opšta tehnika zasnovana na mrežama sa dva porta . Na primer, u aplikaciji poput ove gde je napon izlaz, može se izabrati g-ekvivalentni dva porta radi jednostavnosti, jer koristi pojačalo napona u izlaznom portu.

Za vrednosti R_C u blizini r_E , pojačavač je prelazni između naponskog pojačavača i strujnog bafera. Za R_C ≫ r_E reprezentaciju drajvera kao Tevenin izvora treba zameniti reprezentacijom sa Norton izvorom . Zajedničko osnovno kolo prestaje da se ponaša kao pojačivač napona i ponaša se kao sledbenik struje, kao što će biti objašnjeno u nastavku.

Trenutni pratilac[uredi | uredi izvor]

Slika 3 prikazuje pojačalo sa zajedničkom bazom koji se koristi kao sledbenik struje. Signal kola obezbeđuje AC Norton izvor (struja I_S, Norton otpor R_S ) na ulazu, a kolo ima opterećenje otpornika R_L na izlazu.

Kao što je ranije pomenuto, ovaj pojačavač je bilateralni kao posledica izlaznog otpora r_O, koji povezuje izlaz sa ulazom. U ovom slučaju je izlazni otpor veliki čak i u najgorem slučaju (to je najmanje r_O || R_C i može postati (β + 1) r_O || R_C za veliki R_C ). Veliki izlazni otpor je poželjan atribut izvora struje jer povoljna podela struje šalje većinu struje u opterećenje. Strujni dobitak je skoro jedinica sve dok je R_S ≫ r_E.

Alternativna tehnika analize je zasnovana na mrežama sa dva porta. Na primer, u aplikaciji poput ove gde je struja izlaz, izabran je h-ekvivalentni dva porta jer koristi strujno pojačalo u izlaznom portu.

Vidi još[uredi | uredi izvor]