4.7: El amplificador de base común

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La configuración final del amplificador de transistor (Figura a continuación) que necesitamos estudiar son los amplificadores de base común. Esta configuración es más compleja que las otras dos, y es menos común debido a sus extrañas características de funcionamiento.

Amplificador de base común

¿Por qué se llama un amplificador de base común?

Se llama configuración de base común porque (fuente de alimentación CC aparte), la fuente de señal y la carga comparten la base del transistor como punto de conexión común que se muestra en la Figura siguiente.

Amplificador de base común: Entrada entre emisor y base, salida entre colector y base.

Quizás la característica más llamativa de esta configuración es que la fuente de señal de entrada debe llevar toda la corriente del emisor del transistor, como indican las flechas pesadas en la primera ilustración. Como sabemos, la corriente del emisor es mayor que cualquier otra corriente en el transistor, siendo la suma de corrientes base y colector. En las dos últimas configuraciones de amplificador, la fuente de señal se conectó al cable base del transistor, manejando así la menor corriente posible.

Atenuación de corriente en amplificadores de base común

Debido a que la corriente de entrada excede todas las demás corrientes en el circuito, incluida la corriente de salida, la ganancia de corriente de este amplificador es en realidad menor que 1 (observe cómo se conecta la _carga R al colector, transportando así un poco menos de corriente que la fuente de señal). En otras palabras, atenúa la corriente en lugar de amplificarla. Con configuraciones de amplificador de emisor común y colector común, el parámetro del transistor más estrechamente asociado con la ganancia fue β. En el circuito de base común, seguimos otro parámetro básico del transistor: la relación entre la corriente del colector y la corriente del emisor, que es una fracción siempre inferior a 1. Este valor fraccional para cualquier transistor se llama relación alfa, o relación α.

Voltaje de señal de aumento en amplificadores de base común

Dado que obviamente no puede aumentar la corriente de la señal, solo parece razonable esperar que aumente el voltaje de la señal. Una simulación SPICE del circuito en la Figura siguiente reivindicará esa suposición.

Circuito de base común para análisis DC SPICE.

Observe en la Figura anterior que el voltaje de salida va de prácticamente nada (corte) a 15.75 voltios (saturación) con el voltaje de entrada siendo barrido en un rango de 0.6 voltios a 1.2 voltios. De hecho, la gráfica de voltaje de salida no muestra un aumento hasta aproximadamente 0.7 voltios en la entrada, y corta (aplana) a aproximadamente 1.12 voltios de entrada. Esto representa una ganancia de voltaje bastante grande con un lapso de voltaje de salida de 15.75 voltios y un lapso de voltaje de entrada de solo 0.42 voltios: una relación de ganancia de 37.5, o 31.48 dB. Observe también cómo el voltaje de salida (medido a través de la _carga R) realmente excede la fuente de alimentación (15 voltios) en la saturación, debido al efecto de ayuda en serie de la fuente de voltaje de entrada.

Un segundo conjunto de análisis SPICE (circuito en la figura siguiente) con una fuente de señal de CA (y voltaje de polarización de CC) cuenta la misma historia: una ganancia de alto voltaje

Circuito de base común para análisis SPICE AC.

Como puede ver, las formas de onda de entrada y salida en la Figura a continuación están en fase entre sí. Esto nos dice que el amplificador de base común no es inversora.

El análisis AC SPICE en la Tabla siguiente a una sola frecuencia de 2 kHz proporciona voltajes de entrada y salida para el cálculo de ganancia.

Las cifras de voltaje del segundo análisis (Tabla anterior) muestran una ganancia de voltaje de 42.74 (4.274 V/0.1 V), o 32.617 dB:

Aquí hay otra vista del circuito en la Figura a continuación, resumiendo las relaciones de fase y los desplazamientos de CC de varias señales en el circuito recién simulado.

Relaciones de fase y compensaciones para amplificador de base común NPN.

.. y para un transistor PNP: Figura abajo.

Relaciones de fase y compensaciones para amplificador de base común PNP.

Predicción de ganancia de voltaje

Predecir la ganancia de voltaje para la configuración del amplificador de base común es bastante difícil e implica aproximaciones del comportamiento del transistor que son difíciles de medir directamente. A diferencia de las otras configuraciones de amplificador, donde la ganancia de voltaje se estableció por la relación de dos resistencias (emisor común) o se fijó a un valor invariable (colector común), la ganancia de voltaje del amplificador de base común depende en gran medida de la cantidad de polarización de CC en la señal de entrada. Resulta que la resistencia interna del transistor entre el emisor y la base juega un papel importante en la determinación de la ganancia de voltaje, y esta resistencia cambia con diferentes niveles de corriente a través del emisor.

Si bien este fenómeno es difícil de explicar, es bastante fácil de demostrar mediante el uso de simulación por computadora. Lo que voy a hacer aquí es ejecutar varias simulaciones SPICE en un circuito amplificador de base común (Figura anterior), cambiando ligeramente el voltaje de polarización de CC (vbias en la Figura siguiente) mientras se mantiene constante la amplitud de la señal de CA y todos los demás parámetros del circuito. A medida que la ganancia de voltaje cambia de una simulación a otra, se notarán diferentes amplitudes de voltaje de salida.

Aunque todos estos análisis se realizarán en el modo “función de transferencia”, cada uno se “probó” primero en el modo de análisis transitorio (voltaje trazado a lo largo del tiempo) para asegurar que toda la onda estaba siendo fielmente reproducida y no “recortada” debido a una polarización inadecuada. Consulte “*.tran 0.02m 0.78m” en la Figura a continuación, la declaración de análisis transitorio “comentado”. Los cálculos de ganancia no pueden basarse en formas de onda distorsionadas. SPICE puede calcular la ganancia de CC de señal pequeña para nosotros con la declaración “.tf v (4) vin”. La salida es v (4) y la entrada como vin.

Lista de redes SPICE: Base común, función de transferencia (ganancia de voltaje) para varios voltajes de polarización de CC. Lista de redes SPICE: ganancia de corriente de amplificador de base común; Nota .tf v (4) vin declaración. Función de transferencia para ganancia de corriente CC I (vin) /Iin; Nota .tf I (vin) Iin declaración.

En la línea de comandos, spice -b filename.cir produce una salida impresa debido a la sentencia .tf: transfer_function, output_impedancia e input_impedancia. El listado de salida abreviado es de series con vbias a 0.85, 0.90, 0.95, 1.00 V como se registra en la Tabla siguiente.

Una tendencia debe ser evidente en la Tabla anterior. Con aumentos en el voltaje de polarización de CC, la ganancia de voltaje (transfer_function) también aumenta. Podemos ver que la ganancia de voltaje va en aumento debido a que cada simulación posterior (vbias= 0.85, 0.8753, 0.90, 0.95, 1.00 V) produce mayor ganancia (transfer_function= 37.6, 39.4 40.8, 42.7, 44.0), respectivamente. Los cambios se deben en gran parte a minúsculas variaciones en el voltaje de polarización.

Las últimas tres líneas de la Tabla anterior (derecha) muestran la ganancia de corriente I (v1) /Iin de 0.99. (Las dos últimas líneas parecen inválidas). Esto tiene sentido para β=100; α= β/ (β+1), α=0.99=100/ (100-1). La combinación de baja ganancia de corriente (siempre menor que 1) y ganancia de voltaje algo impredecible conspiran contra el diseño de base común, relegándolo a pocas aplicaciones prácticas.

Esas pocas aplicaciones incluyen amplificadores de radiofrecuencia. La base conectada a tierra ayuda a proteger la entrada en el emisor de la salida del colector, evitando la inestabilidad en los amplificadores de RF. La configuración de base común es utilizable a frecuencias más altas que el emisor común o colector común. Consulte “Amplificador de potencia RF de 750 mW de base común Clase C” Ch 9. Para un circuito más elaborado consulte “Amplificador de alta ganancia de señal pequeña de base común Clase A” Ch 9.

Revisar

Los amplificadores de transistor de base común son llamados porque los puntos de voltaje de entrada y salida comparten el cable base del transistor en común entre sí, sin considerar ninguna fuente de alimentación.
La ganancia de corriente de un amplificador de base común es siempre menor que 1. La ganancia de voltaje es una función de las resistencias de entrada y salida, y también de la resistencia interna de la unión emisor-base, que está sujeta a cambios con variaciones en la tensión de polarización de CC. Baste decir que la ganancia de voltaje de un amplificador de base común puede ser muy alta.
La relación entre la corriente del colector de un transistor y la corriente del emisor se llama α. El valor α para cualquier transistor es siempre menor que la unidad, o en otras palabras, menor que 1.