Введение
В электронике усилитель с общим основанием (также известный как усилитель с заземлённым основанием) — одна из трёх основных однокаскадных схем усилителей на биполярных транзисторах (BJT), обычно используемая в качестве повторителя тока или усилителя напряжения. В этой схеме эмиттер транзистора является входом, коллектор — выходом, а основание соединено с землёй, или является "общим", отсюда и название. Аналогичной схемой на полевом транзисторе является усилитель с общим затвором.
Приложения
Эта схема не очень распространена в дискретных схемах низкой частоты, где она обычно применяется для усилителей, которым требуется необычно низкое входное сопротивление, например, для использования в качестве предусилителя для микрофонов с подвижной катушкой. Однако она популярна в интегральных схемах и в высокочастотных усилителях, например, для диапазонов VHF и UHF, поскольку её входная ёмкость не подвержена эффекту Миллера, который ухудшает полосу пропускания схемы с общим эмиттером, и благодаря относительно высокой изоляции между входом и выходом. Эта высокая изоляция означает, что обратная связь от выхода на вход минимальна, что обеспечивает высокую стабильность. Эта конфигурация также полезна в качестве буфера тока, поскольку её коэффициент усиления по току приблизительно равен единице (см. формулы ниже). Часто используется схема с общей базой, расположенная перед каскадом с общим эмиттером. Комбинация этих двух каскадов образует каскодную схему, которая сочетает в себе преимущества обеих конфигураций, такие как высокое входное сопротивление и изоляция.
Активные нагрузки
Для усиления напряжения диапазон допустимых отклонений выходного напряжения в этом усилителе определяется коэффициентом усиления при использовании резистивной нагрузки RC, как показано на рисунке 1. Иными словами, высокий коэффициент усиления требует большой величины RC, что, в свою очередь, приводит к значительному падению постоянного напряжения на RC. При заданном напряжении питания, чем больше это падение, тем меньше напряжение VCB транзистора и тем меньше допустимый размах выходного сигнала до наступления насыщения транзистора, что вызывает искажения выходного сигнала. Чтобы избежать этого, можно использовать активную нагрузку, например, токовое зеркало. В этом случае значение RC в таблице выше заменяется малым выходным сопротивлением сигнала активной нагрузки, которое, как правило, не меньше выходного сопротивления rO активного транзистора на рисунке 1. С другой стороны, падение постоянного напряжения на активной нагрузке имеет фиксированное и небольшое значение (напряжение соответствия активной нагрузки), значительно меньшее, чем падение напряжения, возникающее при сопоставимом усилении с использованием резистора RC. Таким образом, активная нагрузка накладывает меньше ограничений на размах выходного сигнала. Следует отметить, что независимо от использования активной нагрузки, высокий коэффициент усиления по переменному току по-прежнему связан с высоким выходным сопротивлением по переменному току, что приводит к плохому делению напряжения на выходе, за исключением случаев, когда нагрузка RL значительно больше выходного сопротивления Rout (RL ≫ Rout). При использовании в качестве повторителя тока усиление не зависит от RC, но зависит от выходного сопротивления. В связи с делением тока на выходе желательно, чтобы выходное сопротивление повторителя было намного больше сопротивления нагрузки RL, чтобы можно было обеспечить большие сигнальные токи для нагрузки. Если используется резистор RC, как на рисунке 1, высокое выходное сопротивление связано с большой величиной RC, что снова ограничивает размах сигнала на выходе. (Хотя ток подается на нагрузку, обычно большой ток в нагрузке подразумевает и большой размах напряжения на нагрузке.) Активная нагрузка обеспечивает высокое выходное сопротивление по переменному току с гораздо меньшим влиянием на амплитуду размаха выходного сигнала.
Усилитель напряжения
Для случая, когда схема с общим основанием используется как усилитель напряжения, схема показана на рисунке 2. Выходное сопротивление велико, по крайней мере RC || rO, значение, которое возникает при низком импедансе источника (RS ≪ rE). Большое выходное сопротивление нежелательно в усилителе напряжения, поскольку оно приводит к неэффективному делению напряжения на выходе. Тем не менее, усиление по напряжению остается заметным даже при небольших нагрузках: согласно таблице, при RS = rE усиление составляет Av = gm RL / 2. При большем импедансе источника усиление определяется отношением резисторов RL / RS, а не характеристиками транзистора, что может быть преимуществом, когда важна нечувствительность к температуре или изменениям параметров транзистора. Альтернативой использованию гибридной π-модели для этих расчетов является общий метод, основанный на двухполюсных сетях. Например, в приложении, подобном этому, где выходным сигналом является напряжение, для упрощения можно выбрать двухполюсную сеть с эквивалентной проводимостью g, поскольку она использует усилитель напряжения на выходном порту. При значениях RS, близких к rE, усилитель находится в переходном состоянии между усилителем напряжения и повторителем тока. При RS ≫ rE представление драйвера в виде источника Тевена должно быть заменено представлением в виде источника Нортона. Схема с общим основанием перестает вести себя как усилитель напряжения и начинает вести себя как повторитель тока, что будет рассмотрено далее.
Текущий последователь
На рисунке 3 показан усилитель с общим базовым электродом, используемый в качестве повторителя тока. Сигнал в цепь подается от источника тока Нортона (ток IS, сопротивление Нортона RS) на входе, а на выходе цепь имеет резистивную нагрузку RL. Как упоминалось ранее, этот усилитель является двунаправленным из-за выходного сопротивления rO, которое связывает выход со входом. В данном случае выходное сопротивление остается высоким даже в наихудшем сценарии (оно составляет как минимум rO || RC и может достигать (β + 1) rO || RC при больших значениях RS). Высокое выходное сопротивление является желательным свойством источника тока, поскольку благоприятное распределение тока направляет большую его часть на нагрузку. Коэффициент усиления по току очень близок к единице, если RS ≫ rE. Альтернативный метод анализа основан на использовании двухпортовых сетей. Например, в таких приложениях, где выходным параметром является ток, выбирается двухполюсный эквивалент с параметрами h, поскольку он использует усилитель тока на выходном порту.