共基極
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在電子學裡,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
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
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,例如在甚高頻和特高頻中,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
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的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 | ||||
短路電流增益 | ||||
輸入阻抗 | ||||
輸出阻抗 |
|
|
- 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
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),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
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:
- ,
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):
- .
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:
- ,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 || RC ≤ Rout ≤ (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
![](http://images.weserv.nl/?url=//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/9d/Common-base_small_signal.svg/300px-Common-base_small_signal.svg.png)
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。
對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
![](http://images.weserv.nl/?url=//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/cc/Common_base_with_Norton_driver.svg/300px-Common_base_with_Norton_driver.svg.png)
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
參考文獻
外部連結
- 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.