共基极
在电子学里,共基极放大器是三个基本单级BJT放大器结构的其中一种,通常被使用于电流缓冲或电压放大器。在这个电路中,发射极作为输入端,集电极作为输出端,基极为共用端(它可能接地,或是接到电源)。类似在场效应管电路的共栅极(common gate)。
简化运算
[编辑]当电流流入发射极,会产生位能差导致晶体管可以传导[1],在BJT晶体管上,藉集电极传导的电流会与电压成正比,依偏置和其他的结构而有所不同。[2]
因此,若没有电流流入发射极,晶体管就不会传导。
应用
[编辑]这种布置方式在低频回路上不是很常见,低频回路通常是给需要非常低的输入阻抗的放大器用的,例如作为动圈式麦克风的前置放大器。然而,它在高频放大器上却很常见,例如在甚高频和特高频中,这是因为它的输入电容不会受密勒效应影响(密勒效应会降低共发射极配置的带宽),亦因为其在输入和输出间相对高的绝缘性而受用。这么高的绝缘性表示输出端只会有很少的反馈回到输入端,导致极高的稳定性。
这种配置作为电流缓冲器也很有用,因为它有大约一致的电流增益(current gain,公式见下)。通常一个普通的基底会以这种方式使用,其前为一个共发发射极级(common-emitter stage)。这两者自共源共栅(cascode)配置的组合有着几个个别配置的优点,例如高输入阻抗和绝缘。
低频特性
[编辑]在低频和小信号的状况下,第一条式子里的回路可以由第二式中的来代表,第二式中由双极性晶体管的Hybrid-pi model运作。输入信号由戴维宁电压源 vs 以及一系列电阻 Rs 表示,而负载是电阻器 RL。这回路可以用来获取接着的共基极放大器(common-base amplifier)的特性。
定义 | 表达式 | 近似表达式 | 条件 | |
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开路电压增益 | ||||
短路电流增益 | ||||
输入阻抗 | ||||
输出阻抗 |
|
|
- 注意:平行线(||)表示并联的零件。
一般来说,总体电压/电流增益因为负载效应而可能低于以下列出的断路/短路增益甚多(依电源和负载电阻而定)。
有源负载
[编辑]对电压增幅器而言,如图一所示,使用电阻RC时,在这个增幅器所允许的输出电压范围会紧跟着增加的电压,也就是说,大的电压增幅需要大的电阻RC,进而暗示说,大的DC电压会随着电阻RC而降低,假定提供一个电压,它降得越多,在晶体管饱和发生而产生扭曲的输出信号前,VCB越小且允许的输出震荡也越小,为避免这种状况,可以使用有源负载,例如:电流镜,如果决定要使用电流镜,上述表格RC的值可以被有源负载的微信号输出电阻值所取代,而且通常至少与图例一的有源晶体管的rO一样大,换句话说,在有源负载的降低DC电压是一个固定低的值,(有源负载的恒流输出电压),相较而言,比使用电阻RC所降低的DC电压少得多,也就是说,一个有源负载对输出电压震荡会有较少的限制,注意不论是否有有源负载,大的AC增幅依旧与大的AC输出电阻有关连,除非RL >> Rout,否则会导致很低的电压分压。
作为电流缓冲区使用,增幅并不会被 RC所影响,但输出电阻会,由于输出的电流分流,在缓冲区的输出电阻比被驱动的负载RL大得多是令人满意的,所以大的信号电流可以被传送给负载,如果电阻RC被使用,如图一所示,大的输出电阻会与大的RC相关联,再次在输出限制信号的震荡(尽管电流被传送给负载,通常进入负载的大电流信号,也暗示著,在负载上的大电压震荡),一个有源负载提供高AC电阻值,而对输出信号的震荡振福较不会有严重的影响。
特征总览
[编辑]以下会进行更加细节的应用范例说明,请观看:
- 输入共发射极之节点的增幅器阻抗Rin是非常小的,我们粗略的假设:
- ,
用一个相当典型的例子来看, VT=26mv, IE =10 mA,Rin = 2.6 Ω如果IE被降低并提高Rin,就有以下后果需要考虑如:低转移移电导、高输出电阻和低β。对这种低阻抗输入电压问题的一种解法是,在输入端放置一个共基极形成链接增幅器。
- 因为阻抗输入很低,大多数的来源信号比共基极增幅器Rin的来源阻抗还要高,结果就是来源会传送一个电流给输入而非电压,即使来源是电压(根据Norton定理,电流iin 约略等于 vS / RS)。如果输出信号也是电流,那么增幅器就是一个电流缓冲区并且传送跟输入一样的电流,如果输出是电压,那这个增幅器就是转阻放大器,并且传送一个负荷阻抗的电压,例如:vout = iin RL的负载电阻RL比增幅器输出电阻Rout要小的多,也就是说,电压会在这个例子增加(以下更加详细的说明):
- .
注意:来源阻抗RS >> rE,输出阻抗会接近Rout = RC || [ gm( rπ || RS ) rO ].
- 以一个非常低的阻抗来源的例子而言,共基极增幅器并不会如同电压增幅器运作,以下讨论其中一个例子,在这个例子中(以下更加详细的描述),当RS << rE 而且 RL << Rout,增加之电压为:
- ,此处gm = IC / VT为转移移电导,注意对低阻抗来源Rout = rO || RC.
- 在混合Pi里的 rO的内含物会预测从增幅器输出到输入的反向传导,也就是说增幅器是左右对称的,其中一个结果是,输入/输出阻抗会被负荷/来源 终止阻抗所影响,也因此,譬如输出电阻Rout,根据来源电阻RS可能会超过 rO || RC ≤ Rout ≤ (β + 1) rO || RC的范围,当rO的忽略是正确的,增幅器可以单边接近(对低增益和低缓和负荷电阻是合理的),可以简化分析。这个约略值通常可以由谨慎的设计所取得,但在RF电路会较不准确,而且在整合电路设计中,有源负载会被正常使用。
电压增幅器
[编辑]对于被用作电压增幅器的共基极电路,此电路请参考图例二。
此输出电阻很大,至少RC || rO,这个值在低来源阻抗时会上升(RS << rE),我们不希望在一个电压增幅器看到很大的输出电阻,因为他会在输出导致一个很低的分压,尽管如此,负荷很低但增加的电压仍然很相当可观:根据表格,RS = rE时的增加是Av = gm RL / 2,对一个很大的来源阻抗,增加的会由电阻比值RL / RS所决定,而晶体管特性,对温度的不灵敏和晶体管变化是一个重要的优势, 另一个使用混合-Pi模型的计算的替代方案是,一个基于二端口网络的通用技术,例如:在一个电压为输出的应用中,一个g-等效二端口可以被选用来简化,如同在输出端使用电压增幅器。
对rE邻近的值RS,其在电压增幅器和电流缓冲区是可转变的,对RS >> ,如同Thévenin source的驱动器代表,可以被Norton来源所取代,共基极电路会停止表现像个电压增幅器并表现像个电流随耦器,如下所述。
电流随耦器
[编辑]图例三显示共基极增幅器被用作电流随耦器,电路信号由一个在输入的AC Norton来源所提供,(电流 IS, Norton 电阻 RS),而此电路在输出有个负载电阻RL。
如先前所提到的,作为一个输出电阻rO的结果,这个增幅器是双向的,它会将输出连到输入,在这个案例中,仅管在最糟的情形下,输出电阻依旧很高,(对一个大的RS而言,至少rO || RC 而且可以成为(β + 1) rO || RC),大的输出电阻是一个电流来源的令人满意的特性,因为合适的分压会送多数的电流给负载,只要RS >> rE,增加电流会近乎整合。
另一个分析技术是基于二端口网络,如:在一个电流为输出的应用,一个h-等效二端口会被选择,因为它在输出端口使用电流增幅器。
参见
[编辑]参考文献
[编辑]外部链接
[编辑]- Basic BJT Amplifier Configurations
- NPN Common Base Amplifier(页面存档备份,存于互联网档案馆) — HyperPhysics
- ECE 327: Transistor Basics (页面存档备份,存于互联网档案馆) — Gives example common-base circuit (i.e., current source) with explanation.