El amplificador de base común

La configuración final del amplificador de transistor (Figura siguiente) que debemos estudiar son los amplificadores de base común . Esta configuración es más compleja que las otras dos y es menos común debido a sus extrañas características operativas.

Amplificador de base común

¿Por qué se llama amplificador de base común?

Se llama base común configuración porque (aparte de la fuente de alimentación de CC), la fuente de señal y la carga comparten la base del transistor como un punto de conexión común que se muestra en la Figura siguiente.

Amplificador de base común:entrada entre emisor y base, salida entre colector y base.

Quizás la característica más llamativa de esta configuración es que la fuente de la señal de entrada debe transportar toda la corriente del emisor del transistor, como lo indican las flechas pesadas en la primera ilustración. Como sabemos, la corriente del emisor es mayor que cualquier otra corriente en el transistor, siendo la suma de las corrientes de base y colector. En las dos últimas configuraciones de amplificador, la fuente de señal se conectó al cable de la base del transistor, manejando así el mínimo actual posible.

Atenuación de corriente en amplificadores de base común

Debido a que la corriente de entrada excede todas las demás corrientes en el circuito, incluida la corriente de salida, la ganancia de corriente de este amplificador es menor que 1 (observe cómo Rload está conectado al colector, por lo que transporta un poco menos de corriente que la fuente de señal). En otras palabras, atenúa actual en lugar de amplificar eso. Con configuraciones de amplificador de emisor común y colector común, el parámetro del transistor más asociado con la ganancia fue β. En el circuito de base común, seguimos otro parámetro básico del transistor:la relación entre la corriente del colector y la corriente del emisor, que siempre es una fracción menor que 1. Este valor fraccionario para cualquier transistor se llama alfa proporción, o proporción α.

Aumento del voltaje de la señal en amplificadores de base común

Dado que obviamente no puede aumentar la corriente de la señal, parece razonable esperar que aumente el voltaje de la señal. Una simulación SPICE del circuito en la siguiente figura reivindicará esa suposición.

Circuito de base común para análisis DC SPICE.

 amplificador de base común vin 0 1 r1 1 2100 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 

Función de transferencia de CC de amplificador de base común n.

Observe en la figura anterior que el voltaje de salida va de prácticamente nada (corte) a 15,75 voltios (saturación) con el voltaje de entrada barrido en un rango de 0,6 voltios a 1,2 voltios. La gráfica de voltaje de salida no muestra un aumento hasta aproximadamente 0,7 voltios en la entrada y se corta (aplana) a aproximadamente 1,12 voltios de entrada. Esto representa una ganancia de voltaje bastante grande con un rango de voltaje de salida de 15,75 voltios y un rango de voltaje de entrada de solo 0,42 voltios:una relación de ganancia de 37,5 o 31,48 dB. Observe también cómo el voltaje de salida (medido a través de Rload) excede la fuente de alimentación (15 voltios) en saturación, debido al efecto de ayuda en serie de la fuente de voltaje de entrada.

El segundo conjunto de análisis SPICE con una fuente de señal de CA (y voltaje de polarización de CC) cuenta la misma historia:una ganancia de alto voltaje

Circuito de ejemplo

Circuito de base común para análisis SPICE AC.

Como puede ver, las formas de onda de entrada y salida en la Figura siguiente están en fase entre sí. Esto nos dice que el amplificador de base común no es inversor.

 amplificador de base común vin 5 2 sin (0 0.12 2000 0 0) vbias 0 1 dc 0.95 r1 2 1100 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 

El análisis AC SPICE en la Tabla siguiente a una sola frecuencia de 2 kHz proporciona voltajes de entrada y salida para el cálculo de ganancia.

Análisis de CA de base común a 2 kHz:lista de red seguida de salida.

 amplificador de base común vin 5 2 ac 0.1 sin vbias 0 1 dc 0.95 r1 2 1100 q1 4 0 5 mod1 v1 3 0 dc 15 rload 3 4 5k .model mod1 npn .ac dic 1 2000 2000 .print ac vm (5,2) vm (4,3) .frecuencia final mag (v (5,2)) mag (v (4,3)) ————————————————— ———— 0.000000e + 00 1.000000e-01 4.273864e + 00 

Las cifras de voltaje del segundo análisis (tabla anterior) muestran una ganancia de voltaje de 42,74 (4,274 V / 0,1 V) o 32,617 dB:

Aquí hay otra vista del circuito en la figura siguiente, que resume las relaciones de fase y las compensaciones de CC de varias señales en el circuito que se acaba de simular.

Relaciones de fase y compensaciones para el amplificador de base común NPN.

. . . y para un transistor PNP:Figura siguiente.

Relaciones de fase y compensaciones para el amplificador de base común PNP.

Predecir la ganancia de voltaje

Predecir la ganancia de voltaje para la configuración del amplificador de base común es bastante difícil e implica aproximaciones del comportamiento del transistor que son difíciles de medir directamente. A diferencia de las otras configuraciones de amplificador, donde la ganancia de voltaje se estableció por la relación de dos resistencias (emisor común) o se fijó en un valor inalterable (colector común), la ganancia de voltaje del amplificador de base común depende en gran medida de la cantidad de Polarización de CC en la señal de entrada. Resulta que la resistencia interna del transistor entre el emisor y la base juega un papel importante en la determinación de la ganancia de voltaje, y esta resistencia cambia con diferentes niveles de corriente a través del emisor.

Si bien este fenómeno es difícil de explicar, es bastante fácil de demostrar mediante el uso de simulaciones por computadora. Simulaciones SPICE en un circuito amplificador de base común (Figura anterior), cambiando ligeramente el voltaje de polarización de CC (vbias en la Figura siguiente) mientras se mantiene constante la amplitud de la señal de CA y todos los demás parámetros del circuito. A medida que la ganancia de voltaje cambia de una simulación a otra, se notarán diferentes amplitudes de voltaje de salida.

Aunque todos estos análisis se realizarán en el modo de "función de transferencia", cada uno se "probó" primero en el modo de análisis de transitorios (voltaje representado a lo largo del tiempo) para garantizar que toda la onda se reprodujera fielmente y no se "recortara" debido a errores incorrectos. sesgo. Consulte "* .tran 0.02m 0.78m" en la Figura siguiente, la declaración de análisis transitorio "comentada". Los cálculos de ganancia no pueden basarse en formas de onda distorsionadas. SPICE puede calcular la ganancia de CC de señal pequeña para nosotros con la declaración ".tf v (4) vin". La salida es v (4) y la entrada como vin .

 amplificador de base común vbias =0.85V vin 5 2 sin (0 0.12 2000 0 0) vbias 0 1 dc 0.85 r1 2 1100 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 

 ganancia de corriente de amplificador de base común Iin 55 5 0A vin 55 2 sin (0 0.12 2000 0 0) vbias 0 1 dc 0.8753 r1 2 1100 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 Información de la función de transferencia:función de transferencia =9.900990e-01 iin impedancia de entrada =9.900923e + 11 v1 impedancia de salida =1.000000e + 20 

Lista de redes SPICE:base común, función de transferencia (ganancia de voltaje) para varios voltajes de polarización de CC. Lista de redes SPICE:ganancia de corriente de amplificador de base común; Tenga en cuenta la instrucción vin .tf v (4). Función de transferencia para ganancia de corriente CC I (vin) / Iin; Tenga en cuenta .tf I (vin) Iin declaración.

En la línea de comando, spice -b filename.cir produce una salida impresa debido al .tf declaración:función_transferencia, impedancia_salida e impedancia_entrada. La lista de salida abreviada es de ejecuciones con vbias a 0.85, 0.90, 0.95, 1.00 V como se registra en la tabla siguiente.

Salida SPICE:función de transferencia de base común.

 Circuito:amplificador de base común vbias =0.85V transfer_function =3.756565e + 01 output_impedance_at_v (4) =5.000000e + 03 vin # input_impedance =1.317825e + 02 Circuito:amplificador de base común vbias =0.8753V Ic =1 mA Información de la función de transferencia:transfer_function =3.942567e + 01 output_impedance_at_v (4) =5.000000e + 03 vin # input_impedance =1.255653e + 02 Circuito:amplificador de base común vbias =0.9V transfer_function =4.079542e + 01 output_impedance_at_v (4) =5.000000e +03 vin # input_impedance =1.213493e + 02 Circuito:amplificador de base común vbias =0.95V transfer_function =4.273864e + 01 output_impedance_at_v (4) =5.000000e + 03 vin # input_impedance =1.158318e + 02 Circuito:amplificador de base común vbias =1.00V función_transferencia =4.401137e + 01 output_impedance_at_v (4) =5.000000e + 03 vin # input_impedance =1.124822e + 02 

Una tendencia debería ser evidente en la Tabla anterior. Con aumentos en el voltaje de polarización de CC, la ganancia de voltaje (función_transferencia) también aumenta. Podemos ver que la ganancia de voltaje aumenta porque cada simulación posterior (vbias =0.85, 0.8753, 0.90, 0.95, 1.00 V) produce una mayor ganancia (transfer_function =37.6, 39.4 40.8, 42.7, 44.0), respectivamente. Los cambios se deben en gran parte a variaciones minúsculas en el voltaje de polarización.

Las últimas tres líneas de la tabla anterior (derecha) muestran I (v1) / Iin ganancia de corriente de 0,99. (Las últimas dos líneas parecen no válidas). Esto tiene sentido para β =100; α =β / (β + 1), α =0,99 =100 / (100-1). La combinación de una ganancia de corriente baja (siempre menor que 1) y una ganancia de voltaje algo impredecible conspiran contra el diseño de base común, relegándolo a unas pocas aplicaciones prácticas.

Esas pocas aplicaciones incluyen amplificadores de radiofrecuencia. La base conectada a tierra ayuda a proteger la entrada en el emisor de la salida del colector, evitando la inestabilidad en los amplificadores de RF. La configuración de base común se puede utilizar a frecuencias más altas que el emisor común o el colector común. Consulte “Amplificador de potencia de RF de 750 mW de base común de clase C”, capítulo 9. Para obtener un circuito más elaborado, consulte “Amplificador de alta ganancia de señal pequeña y base común de clase A”, capítulo 9.

REVISAR:

• Base común Los amplificadores de transistor se denominan así porque los puntos de voltaje de entrada y salida comparten el cable base del transistor en común entre sí, sin considerar ninguna fuente de alimentación.
• La ganancia de corriente de un amplificador de base común es siempre menor que 1. La ganancia de voltaje es una función de las resistencias de entrada y salida, y también la resistencia interna de la unión emisor-base, que está sujeta a cambios con variaciones en Voltaje de polarización CC. Baste decir que la ganancia de voltaje de un amplificador de base común puede ser muy alta.
• La relación entre la corriente del colector de un transistor y la corriente del emisor se llama α. El valor α para cualquier transistor es siempre menor que la unidad, o en otras palabras, menor que 1.

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

• Hoja de trabajo de amplificadores BJT de clase A