O amplificador de base comum

A configuração final do amplificador de transistor (Figura abaixo) que precisamos estudar são os amplificadores de base comum . Esta configuração é mais complexa do que as outras duas e é menos comum devido às suas estranhas características de operação.



Amplificador de base comum

Por que é chamado de amplificador de base comum?

É chamado de base comum configuração porque (fonte de alimentação DC à parte), a fonte de sinal e a carga compartilham a base do transistor como um ponto de conexão comum mostrado na Figura abaixo.



Amplificador de base comum:entrada entre o emissor e a base, saída entre o coletor e a base.

Talvez a característica mais marcante dessa configuração seja que a fonte do sinal de entrada deve transportar toda a corrente do emissor do transistor, conforme indicado pelas setas pesadas na primeira ilustração. Como sabemos, a corrente do emissor é maior do que qualquer outra corrente do transistor, sendo a soma das correntes de base e do coletor. Nas duas últimas configurações do amplificador, a fonte do sinal foi conectada ao cabo base do transistor, lidando assim com o mínimo atual possível.

Atenuação de corrente em amplificadores de base comum

Como a corrente de entrada excede todas as outras correntes no circuito, incluindo a corrente de saída, o ganho de corrente deste amplificador é menor que 1 (observe como Rload está conectado ao coletor, transportando um pouco menos de corrente do que a fonte do sinal). Em outras palavras, ele atenua atual em vez de amplificar isto. Com configurações de emissor comum e amplificador de coletor comum, o parâmetro do transistor mais associado ao ganho foi β. No circuito de base comum, seguimos outro parâmetro básico do transistor:a razão entre a corrente do coletor e a corrente do emissor, que é sempre uma fração menor que 1. Este valor fracionário para qualquer transistor é chamado de alfa razão, ou razão α.

Aumento da tensão do sinal em amplificadores de base comum

Uma vez que obviamente não pode aumentar a corrente do sinal, só parece razoável esperar que aumente a tensão do sinal. Uma simulação SPICE do circuito na figura abaixo confirmará essa suposição.



Circuito de base comum para análise DC SPICE.

 amplificador de base comum vin 0 1 r1 1 2 100 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). 

Função de transferência DC do amplificador de base comum n.

Observe na figura acima que a tensão de saída vai de praticamente nada (corte) a 15,75 volts (saturação) com a tensão de entrada sendo varrida em uma faixa de 0,6 volts a 1,2 volts. O gráfico de tensão de saída não mostra um aumento até cerca de 0,7 volts na entrada e corta (nivela) em cerca de 1,12 volts de entrada. Isso representa um ganho de tensão bastante grande com uma amplitude de tensão de saída de 15,75 volts e uma amplitude de tensão de entrada de apenas 0,42 volts:uma relação de ganho de 37,5 ou 31,48 dB. Observe também como a tensão de saída (medida em Rload) excede a fonte de alimentação (15 volts) na saturação, devido ao efeito de auxílio em série da fonte de tensão de entrada.

O segundo conjunto de análises SPICE com uma fonte de sinal CA (e tensão de polarização CC) conta a mesma história:um ganho de alta tensão

Circuito de exemplo



Circuito de base comum para análise SPICE AC.

Como você pode ver, as formas de onda de entrada e saída na Figura abaixo estão em fase uma com a outra. Isso nos diz que o amplificador de base comum não é inversor.

 amplificador de base comum vin 5 2 sin (0 0,12 2000 0 0) vbias 0 1 dc 0,95 r1 2 1 100 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 

A análise AC SPICE na Tabela abaixo em uma única frequência de 2 kHz fornece tensões de entrada e saída para cálculo de ganho.

Análise de CA de base comum a 2 kHz - netlist seguida de saída.

 amplificador de base comum vin 5 2 ac 0,1 sin vbias 0 1 dc 0,95 r1 2 1 100 q1 4 0 5 mod1 v1 3 0 dc 15 rload 3 4 5k .model mod1 npn .ac dez 1 2000 2000 .print ac vm (5,2) vm (4,3). Frequência final mag (v (5,2)) mag (v (4,3)) —————————————————— ———— 0,000000e + 00 1.000000e-01 4,273864e + 00 

Os valores de tensão da segunda análise (Tabela acima) mostram um ganho de tensão de 42,74 (4,274 V / 0,1 V), ou 32,617 dB:



Aqui está outra vista do circuito na figura abaixo, resumindo as relações de fase e os deslocamentos CC de vários sinais no circuito recém simulado.



Relações de fase e deslocamentos para amplificador de base comum NPN.

. . . e para um transistor PNP:Figura abaixo.



Relações de fase e deslocamentos para amplificador de base comum PNP.

Previsão de ganho de tensão

Prever o ganho de tensão para a configuração do amplificador de base comum é bastante difícil e envolve aproximações do comportamento do transistor que são difíceis de medir diretamente. Ao contrário das outras configurações de amplificador, onde o ganho de voltagem foi definido pela razão de dois resistores (emissor comum) ou fixado em um valor inalterável (coletor comum), o ganho de voltagem do amplificador de base comum depende em grande parte da quantidade de Polarização DC no sinal de entrada. Acontece que a resistência interna do transistor entre o emissor e a base desempenha um papel importante na determinação do ganho de voltagem, e essa resistência muda com os diferentes níveis de corrente através do emissor.

Embora esse fenômeno seja difícil de explicar, é bastante fácil de demonstrar por meio do uso de simulações de computador. Simulações SPICE em um circuito amplificador de base comum (Figura anterior), alterando ligeiramente a tensão de polarização DC (vbias na Figura abaixo) enquanto mantém a amplitude do sinal AC e todos os outros parâmetros do circuito constantes. Conforme o ganho de tensão muda de uma simulação para outra, diferentes amplitudes de tensão de saída serão observadas.

Embora todas essas análises sejam conduzidas no modo de "função de transferência", cada uma foi primeiro "provada" no modo de análise transiente (tensão traçada ao longo do tempo) para garantir que toda a onda foi reproduzida fielmente e não "cortada" devido a enviesamento. Consulte “* .tran 0,02m 0,78m” na Figura abaixo, a declaração de análise transiente “comentada”. Os cálculos de ganho não podem ser baseados em formas de onda distorcidas. O SPICE pode calcular o ganho DC de sinal fraco para nós com a instrução “.tf v (4) vin”. A saída é v (4) e a entrada como vin .

 amp de base comum vbias =0,85V vin 5 2 sin (0 0,12 2000 0 0) vbias 0 1 dc 0,85 r1 2 1 100 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 

 ganho de corrente do amplificador de base comum Iin 55 5 0A vin 55 2 sin (0 0,12 2000 0 0) vbias 0 1 dc 0,8753 r1 2 1 100 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 Informação da função de transferência:função de transferência =9,900990e-01 iin impedância de entrada =9,900923e + 11 v1 impedância de saída =1,0000e + 20 

Lista de rede SPICE:Base comum, função de transferência (ganho de tensão) para várias tensões de polarização CC. Lista de rede SPICE:Ganho de corrente do amplificador de base comum; Observe a declaração .tf v (4) vin. Função de transferência para ganho de corrente DC I (vin) / Iin; Observe a declaração .tf I (vin) Iin.

Na linha de comando, spice -b filename.cir produz uma saída impressa devido ao .tf instrução:transfer_function, output_impedance e input_impedance. A listagem de saída abreviada é de execuções com vbias a 0,85, 0,90, 0,95, 1,00 V conforme registrado na Tabela abaixo.

Saída SPICE:função de transferência de base comum.

 Circuito:amp de base comum vbias =0,85V transfer_function =3,756565e + 01 output_impedance_at_v (4) =5.000000e + 03 vin # input_impedance =1,317825e + 02 Circuito:amp de base comum vbias =0,8753V Ic =1 mA Informação da função de transferência:transfer_function =3,942567e + 01 output_impedance_at_v (4) =5.000000e + 03 vin # input_impedance =1.255653e + 02 Circuito:amp de base comum vbias =0.9V transfer_function =4.079542e + 01 output_impedance_at_v (4) =5.000000e +03 vin # input_impedance =1.213493e + 02 Circuito:amp de base comum vbias =0.95V transfer_function =4.273864e + 01 output_impedance_at_v (4) =5.000000e + 03 vin # input_impedance =1.158318e + 02 Circuito:amp de base comum vbias =1.00V transfer_function =4.401137e + 01 output_impedance_at_v (4) =5.000000e + 03 vin # input_impedance =1.124822e + 02 

Uma tendência deve ser evidente na Tabela acima. Com aumentos na tensão de polarização CC, o ganho de tensão (função de transferência) também aumenta. Podemos ver que o ganho de tensão está aumentando porque cada simulação subsequente (vbias =0,85, 0,8753, 0,90, 0,95, 1,00 V) produz um ganho maior (transferência_função =37,6, 39,4 40,8, 42,7, 44,0), respectivamente. As mudanças são em grande parte devido a variações minúsculas na tensão de polarização.

As últimas três linhas da Tabela acima (direita) mostram o I (v1) / Iin ganho atual de 0,99. (As duas últimas linhas parecem inválidas.) Isso faz sentido para β =100; α =β / (β + 1), α =0,99 =100 / (100-1). A combinação de baixo ganho de corrente (sempre menor que 1) e ganho de tensão um tanto imprevisível conspira contra o projeto de base comum, relegando-o a algumas aplicações práticas.

Essas poucas aplicações incluem amplificadores de radiofrequência. A base aterrada ajuda a proteger a entrada no emissor da saída do coletor, evitando instabilidade em amplificadores de RF. A configuração de base comum pode ser usada em frequências mais altas do que o emissor comum ou o coletor comum. Consulte “Amplificador de potência RF de base comum de classe C de 750 mW” Capítulo 9. Para um circuito mais elaborado, consulte “Amplificador de alto ganho de sinal pequeno de base comum de Classe A” Capítulo 9.

REVER:

• Base comum os amplificadores de transistor são assim chamados porque os pontos de tensão de entrada e saída compartilham o cabo base do transistor em comum, sem considerar as fontes de alimentação.
• O ganho de corrente de um amplificador de base comum é sempre menor que 1. O ganho de tensão é uma função das resistências de entrada e saída, e também da resistência interna da junção emissor-base, que está sujeita a mudanças com variações em Tensão de polarização DC. Basta dizer que o ganho de voltagem de um amplificador de base comum pode ser muito alto.
• A razão entre a corrente do coletor de um transistor e a corrente do emissor é chamada de α. O valor α para qualquer transistor é sempre menor que a unidade, ou em outras palavras, menor que 1.

PLANILHAS RELACIONADAS:

• Planilha de amplificadores BJT Classe A