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共基極

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圖1. 基本的 NPN 共基極電路 (忽略偏置細節)。

電子學裡,共基極放大器是三個基本單級BJT放大器結構的其中一種,通常被使用於電流緩衝或電壓放大器。在這個電路中,射極作為輸入端,集極作為輸出端,基極為共用端(它可能接地,或是接到電源)。類似在場效電晶體電路的共閘極(common gate)。

簡化運算[编辑]

當電流流入射極,會產生位能差導致電晶體可以傳導[1],在BJT電晶體上,藉集極傳導的電流會與電壓成正比,依偏壓和其他的結構而有所不同。[2]


因此,若沒有電流流入射極,電晶體就不會傳導。

應用[编辑]

這種佈置方式在低頻迴路上不是很常見,低頻迴路通常是給需要非常低的輸入阻抗的放大器用的,例如作為動圈式麥克風的前置放大器。然而,它在高頻放大器上卻很常見,例如在甚高頻特高頻中,這是因為它的輸入電容不會受密勒效應影響(密勒效應會降低共射極配置的頻寬),亦因為其在輸入和輸出間相對高的絕緣性而受用。這麼高的絕緣性表示輸出端只會有很少的反饋回到輸入端,導致極高的穩定性。

這種配置作為電流緩衝器也很有用,因為它有大約一致的電流增益(current gain,公式見下)。通常一個普通的基底會以這種方式使用,其前為一個共發射極級(common-emitter stage)。這兩者自共源共柵(cascode)配置的組合有著幾個個別配置的優點,例如高輸入阻抗和絕緣。

低頻特性[编辑]

在低頻和小信號的狀況下,第一條式子裡的迴路可以由第二式中的來代表,第二式中由雙極性電晶體hybrid-pi model 運作。輸入訊號由戴維寧電壓源 vs 以及一系列電阻 Rs 表示,而負載是電阻器 RL。這迴路可以用來獲取接著的共基極放大器(common-base amplifier)的特性。

定義 表達式 近似表達式 條件
開路電壓增益  {A_{v}} = \begin{matrix} {v_\mathrm{o} \over v_\mathrm{i}} \end{matrix} \Big|_{R_{L}=\infty}  \begin{matrix} \frac {(g_m r_\mathrm{O}+1)R_C} {R_C+r_O} \end{matrix}  \begin{matrix} g_m R_C \end{matrix}  r_O \gg R_C
短路電流增益  A_{i} = \begin{matrix} {i_\mathrm{o} \over i_\mathrm{i}} \end{matrix} \Big|_{R_{L}=0}  \begin{matrix} \frac {r_{ \pi }+ \beta r_O} {r_{ \pi} +( \beta +1)r_O} \end{matrix}  \begin{matrix} \end{matrix}   1 \beta \gg 1
輸入阻抗  R_\mathrm{in} = \begin{matrix} \frac{v_{i}}{i_{i}} \end{matrix}  \begin{matrix} \frac {(r_O+R_C\|R_L)r_E} {r_O+r_E +\frac {R_C\|R_L} { \beta +1}} \end{matrix}  r_E \left( \approx \frac {1}{g_m}\right)  r_O \gg R_C\|R_L  \ \ \left( \beta \gg 1 \right)
輸出阻抗  R_\mathrm{out} = \begin{matrix} \frac{v_{o}}{-i_{o}} \end{matrix} \Big|_{v_{s}=0}  R_C \| \{[1+g_m (r_{\pi}\|R_S) ]r_O +(r_{\pi}\|R_S)\}   R_C || r_O
 R_C || \left[ (r_{ \pi}//R_S)(1+g_mr_O) \right]
\ \  R_S \ll r_E
\ \  R_S \gg r_E
注意:平行線(||)表示並聯的零件。

一般來說,總體電壓/電流增益因為負載效應loading effect)而可能低於以下列出的斷路/短路增益甚多(依電源和負載電阻而定)。

主動負載[编辑]

對電壓增幅器而言,如圖一所示,使用電阻RC時,在這個增幅器所允許的輸出電壓範圍會緊跟著增加的電壓,也就是說,大的電壓增幅需要大的電阻RC,進而暗示說,大的DC電壓會隨著電阻RC而降低,假定提供一個電壓,它降得越多,在電晶體飽和發生而產生扭曲的輸出信號前,VCB越小且允許的輸出震盪也越小,為避免這種狀況,可以使用主動負載,例如:電流鏡,如果決定要使用電流鏡,上述表格RC的值可以被主動負載的微訊號輸出電阻值所取代,而且通常至少與圖例一的主動電晶體的rO一樣大,換句話說,在主動負載的降低DC電壓是一個固定低的值,(主動負載的恆流輸出電壓英语compliance voltage),相較而言,比使用電阻RC所降低的DC電壓少得多,也就是說,一個主動負載對輸出電壓震盪會有較少的限制,注意不論是否有主動負載,大的AC增幅依舊與大的AC輸出電阻有關連,除非RL >> Rout,否則會導致很低的電壓分壓。

作為電流緩衝區使用,增幅並不會被 RC所影響,但輸出電阻會,由於輸出的電流分流,在緩衝區的輸出電阻比被驅動的負載RL大得多是令人滿意的,所以大的信號電流可以被傳送給負載,如果電阻RC被使用,如圖一所示,大的輸出電阻會與大的RC相關聯,再次在輸出限制信號的震盪(儘管電流被傳送給負載,通常進入負載的大電流信號,也暗示著,在負載上的大電壓震盪),一個主動負載提供高AC電阻值,而對輸出信號的震盪振福較不會有嚴重的影響。

特徵總覽[编辑]

以下會進行更加細節的應用範例說明,請觀看:

  • 輸入共射極之節點的增幅器阻抗Rin是非常小的,我們粗略的假設:
 R_{in} = r_E =  \begin{matrix} \frac {V_T} {I_E} \end{matrix}  ,
VT是一個熱當電壓英语therma voltageIE是一個DC電流。

用一個相當典型的例子來看, VT=26mv, IE =10 mA,Rin = 2.6 Ω如果IE被降低並提高Rin,就有以下後果需要考慮如:低轉移移電導、高輸出電阻和低β。對這種低阻抗輸入電壓問題的一種解法是,在輸入端放置一個共基極形成鏈結英语cascode增幅器。

  • 因為阻抗輸入很低,大多數的來源信號比共基極增幅器Rin的來源阻抗還要高,結果就是來源會傳送一個電流給輸入而非電壓,即使來源是電壓(根據Norton定理,電流iin 約略等於 vS / RS)。如果輸出信號也是電流,那麼增幅器就是一個電流緩衝區並且傳送跟輸入一樣的電流,如果輸出是電壓,那這個增幅器就是轉阻放大器,並且傳送一個負荷阻抗的電壓,例如:vout = iin RL的負載電阻RL比增幅器輸出電阻Rout要小的多,也就是說,電壓會在這個例子增加(以下更加詳細的說明):
 v_{out} = i_{in} R_L = v_s \begin{matrix} \frac {R_L}{R_S} \end{matrix} \ \ \rarr A_v =\begin{matrix}\frac {v_{out}}{v_{S}} = \frac {R_L}{R_S} \end{matrix} .

注意:來源阻抗RS >> rE,輸出阻抗會接近Rout = RC || [ gm( rπ || RS ) rO ].

  • 以一個非常低的阻抗來源的例子而言,共基極增幅器並不會如同電壓增幅器運作,以下討論其中一個例子,在這個例子中(以下更加詳細的描述),當RS << rE 而且 RL << Rout,增加之電壓為:
A_v =\begin{matrix}\frac {v_{out}}{v_{S}} = \frac {R_L}{r_E} \approx g_m R_L\end{matrix} ,此處gm = IC / VT為轉移移電導,注意對低阻抗來源Rout = rO || RC.
  • 在混合Pi裡的 rO的內含物會預測從增幅器輸出到輸入的反向傳導,也就是說增幅器是左右對稱的,其中一個結果是,輸入/輸出阻抗會被負荷/來源 終止阻抗所影響,也因此,譬如輸出電阻Rout,根據來源電阻RS可能會超過 rO || RCRout ≤ (β + 1) rO || RC的範圍,當rO的忽略是正確的,增幅器可以單邊接近(對低增益和低緩和負荷電阻是合理的),可以簡化分析。這個約略值通常可以由謹慎的設計所取得,但在RF電路會較不準確,而且在整合電路設計中,主動負載會被正常使用。

電壓增幅器[编辑]

圖例2: 計算不同參數的小訊號模型; 作為電壓訊號來源的Thévenin.

對於被用作電壓增幅器的共基極電路,此電路請參考圖例二。

此輸出電阻很大,至少RC || rO,這個值在低來源阻抗時會上升(RS << rE),我們不希望在一個電壓增幅器看到很大的輸出電阻,因為他會在輸出導致一個很低的分壓,儘管如此,負荷很低但增加的電壓仍然很相當可觀:根據表格,RS = rE時的增加是Av = gm RL / 2,對一個很大的來源阻抗,增加的會由電阻比值RL / RS所決定,而電晶體特性,對溫度的不靈敏和電晶體變化是一個重要的優勢, 另一個使用混合-Pi模型的計算的替代方案是,一個基於二端口網路的通用技術,例如:在一個電壓為輸出的應用中,一個g-等效二端口可以被選用來簡化,如同在輸出端使用電壓增幅器。

rE鄰近的值RS,其在電壓增幅器和電流緩衝區是可轉變的,對RS >> ,如同Thévenin source的驅動器代表,可以被Norton來源所取代,共基極電路會停止表現像個電壓增幅器並表現像個電流隨耦器,如下所述。

電流隨耦器[编辑]

圖例 3: 附有牛頓驅動器的共基極電路; RC 會被省略因為一個主動負載被假設擁有無限小的訊號輸出電阻。

圖例三顯示共基極增幅器被用作電流隨耦器,電路訊號由一個在輸入的AC Norton來源所提供,(電流 IS, Norton 電阻 RS),而此電路在輸出有個負載電阻RL

如先前所提到的,作為一個輸出電阻rO的結果,這個增幅器是雙向的,它會將輸出連到輸入,在這個案例中,僅管在最糟的情形下,輸出電阻依舊很高,(對一個大的RS而言,至少rO || RC 而且可以成為(β + 1) rO || RC),大的輸出電阻是一個電流來源的令人滿意的特性,因為合適的分壓會送多數的電流給負載,只要RS >> rE,增加電流會近乎整合。

另一個分析技術是基於二端口網路,如:在一個電流為輸出的應用,一個h-等效二端口會被選擇,因為它在輸出端口使用電流增幅器。

参见[编辑]

參考文獻[编辑]

外部連結[编辑]