Gemeinsame Basis

In der Elektronik ist der Basisverstärker (auch als Grounded-Base- Verstärker bekannt ) eine von drei grundlegenden einstufigen Bipolartransistor -Verstärkertopologien (BJT), die typischerweise als Strompuffer oder Spannungsverstärker eingesetzt werden .

In dieser Schaltung dient der Emitter des Transistors als Eingang, der Kollektor als Ausgang und die Basis ist mit Masse, dem sogenannten „Common“, verbunden – daher der Name. Die analoge Feldeffekttransistorschaltung ist der Common-Gate- Verstärker.

Diese Schaltungsanordnung ist in diskreten Niederfrequenzschaltungen eher unüblich und wird üblicherweise für Verstärker mit besonders niedriger Eingangsimpedanz eingesetzt , beispielsweise als Vorverstärker für dynamische Mikrofone . In integrierten Schaltungen und Hochfrequenzverstärkern, etwa für VHF und UHF , ist sie hingegen weit verbreitet. Grund dafür ist die relativ hohe Isolation zwischen Ein- und Ausgang. Diese hohe Isolation minimiert die Rückkopplung vom Ausgang zum Eingang und führt somit zu hoher Stabilität.

Diese Konfiguration eignet sich auch als Strompuffer, da sie eine Stromverstärkung von annähernd eins aufweist (siehe Formeln unten). Häufig wird hierfür eine Basisschaltung verwendet, der eine Emitterschaltung vorgeschaltet ist. Die Kombination dieser beiden Schaltungen ergibt die Kaskodenschaltung , die mehrere Vorteile beider Konfigurationen vereint, wie z. B. hohe Eingangsimpedanz und Isolation.

Bei niedrigen Frequenzen und unter Kleinsignalbedingungen lässt sich die Schaltung in Abbildung 1 durch die in Abbildung 2 darstellen, wobei das Hybrid-Pi-Modell für den BJT verwendet wird. Das Eingangssignal wird durch eine Thévenin -Spannungsquelle v _{_s} mit einem Serienwiderstand R _{_s} und die Last durch einen Widerstand R_{_L} repräsentiert . Mit dieser Schaltung lassen sich die folgenden Eigenschaften des Basisverstärkers ableiten.

	Definition	Ausdruck	Näherungsausdruck	Bedingungen
Leerlaufspannungsverstärkung​	${\displaystyle {A_{v}}=\left.{\frac {v_{\text{o}}}{v_{\text{i}}}}\right|_{R_{\text{L}}=\infty }}$	${\displaystyle {\frac {(g_{m}r_{\text{o}}+1)R_{\text{C}}}{R_{\text{C}}+r_{\text{o}}}}$	${\displaystyle g_{\text{m}}R_{\text{C}}}$	${\displaystyle r_{\text{o}}\gg R_{\text{C}}}$
Kurzschlussstromverstärkung​	${\displaystyle A_{i}=\left.{i_{\text{o}} \over i_{\text{i}}}\right|_{R_{\text{L}}=0}}$	${\displaystyle {\frac {r_{\pi }+\beta r_{\text{o}}}{r_{\pi }+(\beta +1)r_{\text{o}}}}}$	${\displaystyle 1}$	${\displaystyle \beta \gg 1}$
Eingangswiderstand	${\displaystyle R_{\text{in}}={\frac {v_{i}}{i_{i}}}}$	${\displaystyle {\frac {(r_{\text{o}}+R_{\text{C}}\parallel R_{\text{L}})r_{\text{E}}}{r_{\text{o}}+r_{\text{E}}+{\frac {R_{\text{C}}\parallel R_{\text{L}}}{\beta +1}}}}}$	${\displaystyle r_{\text{E}}\left(\approx {\frac {1}{g_{\text{m}}}}\right)}$	${\displaystyle r_{\text{o}}\gg R_{\text{C}}\parallel R_{\text{L}}\quad \left(\beta \gg 1\right)}$
Ausgangswiderstand	${\displaystyle R_{\text{out}}=\left.{\frac {v_{\text{o}}}{-i_{\text{o}}}}\right|_{v_{\text{s}}=0}}$	${\displaystyle R_{\text{C}}\parallel \left([1+g_{\text{m}}(r_{\pi }\parallel R_{\text{S}})]r_{\text{o}}+r_{\pi }\parallel R_{\text{S}}\right)}$	${\displaystyle {\begin{aligned}R_{\text{C}}&\parallel r_{\text{o}}\\R_{\text{C}}&\parallel \left(r_{\text{o}}\left[1+g_{\text{m}}\left(r_{\pi }\parallel R_{\text{S}}\right)\right]\right)\end{aligned}}}$	${\displaystyle {\begin{aligned}R_{\text{S}}&\ll r_{\text{E}}\\R_{\text{S}}&\gg r_{\text{E}}\end{aligned}}}$

Hinweis: Parallele Linien (||) kennzeichnen parallel geschaltete Komponenten .

Im Allgemeinen kann die Gesamtverstärkung von Spannung und Strom aufgrund des Lasteffekts deutlich geringer sein als die oben aufgeführten Leerlauf- und Kurzschlussverstärkungen (abhängig von den Widerständen der Quelle und der Last) .

Bei der Spannungsverstärkung hängt der zulässige Ausgangsspannungshub dieses Verstärkers von der Spannungsverstärkung ab, wenn ein Lastwiderstand _RC verwendet wird (siehe Abbildung 1). Das heißt, eine hohe Spannungsverstärkung erfordert einen großen Wert für RC , was wiederum einen hohen Gleichspannungsabfall an RC zur Folge hat. Bei gegebener Versorgungsspannung gilt: _Je größer dieser Abfall, desto kleiner die Transistor-Spannung _V _{_CB} und desto geringer der zulässige Ausgangsspannungshub, bevor der Transistor in die Sättigung gerät und das Ausgangssignal verzerrt wird. Um dies zu vermeiden, kann eine aktive Last , beispielsweise ein Stromspiegel , verwendet werden . In diesem Fall wird der Wert von _RC in der obigen Tabelle durch den Kleinsignal-Ausgangswiderstand der aktiven Last ersetzt, der in der Regel mindestens so groß ist wie der Widerstand r_{_O} des aktiven Transistors in Abbildung 1. Andererseits hat der Gleichspannungsabfall an der aktiven Last einen festen, niedrigen Wert (die Auslösespannung der aktiven Last), der deutlich geringer ist als der Gleichspannungsabfall bei vergleichbarer Verstärkung mit einem Lastwiderstand RC _. Das heißt, eine aktive Last schränkt den Ausgangsspannungshub weniger ein. Beachten Sie, dass unabhängig von der aktiven Last eine große Wechselstromverstärkung immer noch mit einem großen Wechselstromausgangswiderstand verbunden ist, was zu einer schlechten Spannungsteilung am Ausgang führt, außer bei großen Lasten R _L ≫ R _out .

Bei Verwendung als Strompuffer wird die Verstärkung nicht durch RC beeinflusst, _wohl aber der Ausgangswiderstand. Aufgrund der Stromteilung am Ausgang ist ein Ausgangswiderstand des Puffers, der deutlich größer als die angesteuerte Last R_L ist, wünschenswert, um _hohe Signalströme an die Last liefern zu können. Wird ein Widerstand RC _{verwendet (siehe Abbildung 1), ist ein hoher Ausgangswiderstand mit einem hohen RC} gekoppelt , was die Signalamplitude am Ausgang begrenzt. (Obwohl Strom an die Last abgegeben wird, führt ein hoher Stromfluss an der Last üblicherweise auch zu einer hohen Spannungsamplitude an der Last.) Eine aktive Last bietet einen hohen Wechselstrom-Ausgangswiderstand mit deutlich geringeren Auswirkungen auf die Amplitude der Ausgangssignalamplitude.

Im Folgenden werden einige Anwendungsbeispiele detailliert beschrieben. Es folgt ein kurzer Überblick.

• Die Eingangsimpedanz R des Verstärkers _am Emitterknoten ist sehr niedrig und beträgt ungefähr

  ${\displaystyle R_{\text{in}}=r_{\text{E}}={\frac {V_{\text{T}}}{I_{\text{E}}}},}$

wobei V _T die thermische Spannung und I _E der Gleichstrom des Emitters ist.

Beispielsweise ergibt sich bei V _{_T} = 26 mV und I _{_E} = 10 mA, beides typische Werte, ein Eingangswiderstand ( R _{_in} ) von 2,6 Ω. Wird I_{_E} reduziert , um R_{_in} zu erhöhen , ergeben sich weitere Konsequenzen wie eine geringere Steilheit, ein höherer Ausgangswiderstand und ein niedrigerer β-Wert , die ebenfalls berücksichtigt werden müssen. Eine praktische Lösung für dieses Problem der niedrigen Eingangsimpedanz ist die Verwendung einer Emitterschaltung am Eingang, um einen Kaskodenverstärker zu realisieren .

• Da die Eingangsimpedanz so niedrig ist, haben die meisten Signalquellen eine höhere Quellimpedanz als der Eingangswiderstand R_{_in} des Basisverstärkers . Die Folge ist, dass die Quelle einen Strom an den Eingang liefert, anstatt einer Spannung, selbst wenn es sich um eine Spannungsquelle handelt. (Nach dem Norton-Theorem beträgt dieser Strom näherungsweise i _{_in} = v_{_S} / R_{_S} ). Ist das Ausgangssignal ebenfalls ein Strom, fungiert der Verstärker als Strompuffer und liefert denselben Strom wie der Eingangsstrom. Wird das Ausgangssignal als Spannung betrachtet, ist der Verstärker ein Transresistanzverstärker und liefert eine von der Lastimpedanz abhängige Spannung, beispielsweise v _{_out} = i _{_in} R_{_L} für einen Lastwiderstand R_{_L}, der viel kleiner ist als der Ausgangswiderstand R_{_out} des Verstärkers . Das heißt, die Spannungsverstärkung in diesem Fall (weiter unten genauer erläutert) beträgt

  ${\displaystyle v_{\text{out}}=i_{\text{in}}R_{\text{L}}=v_{\text{s}}{\frac {R_{\text{L}}}{R_{\text{S}}}}\Rightarrow A_{v}={\frac {v_{\text{out}}}{v_{\text{S}}}}={\frac {R_{\text{L}}}{R_{\text{S}}}}.}$

Beachten Sie, dass bei Quellimpedanzen, für die R _S ≫ r _E gilt , die Ausgangsimpedanz sich R _out = R _C || [ g _m ( r _π || R _S ) r _O ] annähert.

• Im Spezialfall sehr niederohmiger Quellen fungiert der Basisverstärker als Spannungsverstärker, wie eines der unten erläuterten Beispiele zeigt. In diesem Fall (weiter unten detaillierter erklärt) gilt: Wenn R_{_S} ≪ r _{_E} und R_{_L} ≪ R_{_out} , dann wird die Spannungsverstärkung zu

  ${\displaystyle A_{\text{v}}={\frac {v_{\text{out}}}{v_{\text{S}}}}={\frac {R_{\text{L}}}{r_{\text{E}}}}\approx g_{\text{m}}R_{\text{L}},}$

Dabei ist g _{_m} = I _{_C} / V _{_T} die Steilheit. Beachten Sie, dass bei niedriger Quellimpedanz R_{_out} = r_{_O} || R_{_C} gilt .

• Die Einbeziehung von r_{_O} in das Hybrid-Pi-Modell sagt eine Rückübertragung vom Verstärkerausgang zum Eingang voraus, d. h. der Verstärker ist bilateral . Eine Folge davon ist, dass die Eingangs-/Ausgangsimpedanz von der Last-/Quellabschlussimpedanz beeinflusst wird. So kann beispielsweise der Ausgangswiderstand R _{_out} im Bereich r_O || R_{_C} ≤ R_{_out} ≤ ( β + 1) r _{_O} || R_{_C} variieren , abhängig vom Quellwiderstand R_{_S} . Der Verstärker kann als unilateral angenähert werden, wenn die Vernachlässigung von r_{_O} korrekt ist (gültig für niedrige Verstärkungen und niedrige bis mittlere Lastwiderstände), was die Analyse vereinfacht. Diese Näherung wird häufig in diskreten Schaltungen verwendet, ist aber in HF-Schaltungen und in integrierten Schaltungen, in denen üblicherweise aktive Lasten eingesetzt werden, möglicherweise weniger genau.

Wenn die Basisschaltung als Spannungsverstärker verwendet wird, ist die Schaltung in Abbildung 2 dargestellt.

Der Ausgangswiderstand ist hoch, mindestens RC || rO _{, ein Wert ,} der bei niedriger Quellimpedanz ( RS _≪ rE ₎ auftritt . Ein hoher Ausgangswiderstand ist bei einem Spannungsverstärker unerwünscht, da er zu einer schlechten Spannungsteilung am Ausgang führt . Dennoch ist die Spannungsverstärkung selbst bei kleinen Lasten beachtlich: Laut Tabelle beträgt die Verstärkung bei RS = rE _{Av =} gmRL / _2. Bei höheren Quellimpedanzen wird die Verstärkung durch das Widerstandsverhältnis RL / _{RS und nicht durch die Transistoreigenschaften bestimmt, was von Vorteil sein} kann , wenn Unempfindlichkeit gegenüber Temperaturschwankungen oder Transistorvariationen wichtig ist.

Alternativ zur Verwendung des Hybrid-Pi-Modells für diese Berechnungen bietet sich eine allgemeine Methode auf Basis von Zweitornetzwerken an . Beispielsweise könnte in einer Anwendung wie dieser, bei der die Ausgangsspannung die Spannung ist, aus Gründen der Einfachheit ein g-äquivalentes Zweitor gewählt werden, da es einen Spannungsverstärker am Ausgangstor verwendet.

Für R _{_S}-Werte in der Nähe von r_{_E} verhält sich der Verstärker wie ein Übergangsverstärker zwischen Spannungsverstärker und Stromfolger. Für R _{_S} ≫ r_{_E} muss die Treiberdarstellung als Thévenin-Quelle durch eine Darstellung als Norton-Quelle ersetzt werden . Die Basisschaltung verhält sich dann nicht mehr wie ein Spannungsverstärker, sondern wie ein Stromfolger, wie im Folgenden erläutert wird.

Abbildung 3 zeigt den als Stromfolger verwendeten Basisverstärker. Das Eingangssignal wird von einer Wechselstrom-Nortonquelle (Strom I _{_S} , Norton-Widerstand R_{_S} ) bereitgestellt, und der Ausgang der Schaltung besitzt einen Lastwiderstand R_{_L.}

Wie bereits erwähnt, ist dieser Verstärker aufgrund des Ausgangswiderstands r_{_O} , der den Ausgang mit dem Eingang verbindet, bilateral. In diesem Fall ist der Ausgangswiderstand selbst im ungünstigsten Fall groß (er beträgt mindestens _r _O || RC und kann für große Werte von R_{_S} ( β + 1) r _{_O ||} RC erreichen ). Ein hoher Ausgangswiderstand ist eine wünschenswerte Eigenschaft einer Stromquelle, da eine günstige Stromteilung den größten Teil des Stroms zur Last leitet. Die Stromverstärkung ist nahezu eins, solange R_{_S} ≫ r_{_E} .

Eine alternative Analysemethode basiert auf Zweitornetzwerken . Beispielsweise wird in einer Anwendung wie dieser, bei der der Strom die Ausgangsgröße ist, ein h-äquivalentes Zweitornetzwerk gewählt, da es einen Stromverstärker am Ausgangstor verwendet.

• Gemeinsamer Sammler
• Gemeinsamer Emitter
• Gemeinsames Tor
• Gemeinsamer Abfluss
• Gemeinsame Quelle
• Differenzverstärker
• Hybrid-Pi-Modell
• Zwei-Port-Netzwerk

• ECE 327: Grundlagen des Transistors – Enthält ein Beispiel für eine Basisschaltung (d. h. eine Stromquelle) mit Erläuterung.