Base común

En electrónica , un amplificador de base común (también conocido como base conectada a tierra ) es una de las tres topologías básicas de amplificador de transistor de unión bipolar (BJT) de una sola etapa, que se utiliza normalmente como un búfer de corriente o un amplificador de voltaje .

En este circuito, el terminal emisor del transistor sirve como entrada, el colector como salida y la base está conectada a tierra, o "común", de ahí su nombre. El circuito análogo de transistor de efecto de campo es el amplificador de compuerta común .

Esta disposición no es muy común en circuitos discretos de baja frecuencia, donde se emplea generalmente para amplificadores que requieren una impedancia de entrada inusualmente baja , por ejemplo para actuar como preamplificador para micrófonos de bobina móvil . Sin embargo, es popular en circuitos integrados y en amplificadores de alta frecuencia, por ejemplo para VHF y UHF , porque su capacitancia de entrada no sufre el efecto Miller , que degrada el ancho de banda de la configuración de emisor común , y por el aislamiento relativamente alto entre la entrada y la salida. Este alto aislamiento significa que hay poca retroalimentación desde la salida hacia la entrada, lo que conduce a una alta estabilidad.

Esta configuración también es útil como buffer de corriente, ya que tiene una ganancia de corriente de aproximadamente la unidad (ver fórmulas a continuación). A menudo se utiliza una base común de esta manera, precedida por una etapa de emisor común. La combinación de estos dos forma la configuración en cascada , que posee varios de los beneficios de cada configuración, como alta impedancia de entrada y aislamiento.

A bajas frecuencias y en condiciones de pequeña señal , el circuito de la Figura 1 puede representarse mediante el de la Figura 2, donde se ha empleado el modelo híbrido-pi para el BJT. La señal de entrada está representada por una fuente de tensión de Thévenin v _s con una resistencia en serie R _s y la carga es una resistencia R _L . Este circuito puede utilizarse para derivar las siguientes características del amplificador de base común.

Nota: Las líneas paralelas (||) indican componentes en paralelo .

En general, la ganancia general de voltaje/corriente puede ser sustancialmente menor que las ganancias de circuito abierto/cortocircuito enumeradas anteriormente (dependiendo de la fuente y las resistencias de carga) debido al efecto de carga .

Para la amplificación de voltaje, el rango de oscilación de voltaje de salida permitido en este amplificador está ligado a la ganancia de voltaje cuando se emplea una carga de resistencia R _C , como en la Figura 1. Es decir, una ganancia de voltaje grande requiere un R _C grande , y eso a su vez implica una gran caída de voltaje de CC a través de R _C . Para un voltaje de suministro dado, cuanto mayor sea esta caída, menor será el transistor V _CB y menor será la oscilación de salida permitida antes de que se produzca la saturación del transistor, con la distorsión resultante de la señal de salida. Para evitar esta situación, se puede utilizar una carga activa , por ejemplo, un espejo de corriente . Si se hace esta elección, el valor de R _C en la tabla anterior se reemplaza por la resistencia de salida de pequeña señal de la carga activa, que generalmente es al menos tan grande como el r _O del transistor activo en la Figura 1. Por otro lado, la caída de voltaje de CC a través de la carga activa tiene un valor bajo fijo (el voltaje de cumplimiento de la carga activa), mucho menor que la caída de voltaje de CC incurrida para una ganancia comparable utilizando una resistencia R _C . Es decir, una carga activa impone menos restricciones en la oscilación de voltaje de salida. Tenga en cuenta que, con carga activa o no, una ganancia de CA grande todavía está acoplada a una resistencia de salida de CA grande, lo que genera una división de voltaje deficiente en la salida, excepto para cargas grandes R _L ≫ R _out .

Para su uso como buffer de corriente, la ganancia no se ve afectada por R _C , pero la resistencia de salida sí. Debido a la división de corriente en la salida, es deseable tener una resistencia de salida para el buffer mucho mayor que la carga R _L que se está impulsando, de modo que se puedan entregar grandes corrientes de señal a una carga. Si se utiliza una resistencia R _C , como en la Figura 1, una gran resistencia de salida se acopla a un gran R _C , lo que limita nuevamente la oscilación de la señal en la salida. (Aunque se entrega corriente a la carga, generalmente una gran señal de corriente en la carga implica también una gran oscilación de voltaje a través de la carga). Una carga activa proporciona una alta resistencia de salida de CA con un impacto mucho menos grave en la amplitud de la oscilación de la señal de salida.

A continuación se describen en detalle varios ejemplos de aplicación y se ofrece una breve descripción general.

• La impedancia de entrada del amplificador R _al mirar hacia el nodo emisor es muy baja, dada aproximadamente por

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

donde V _T es el voltaje térmico y I _E es la corriente del emisor de CC.

Por ejemplo, para V _T = 26 mV e I _E = 10 mA, valores bastante típicos, R _in = 2,6 Ω. Si se reduce I _E para aumentar R _in , hay otras consecuencias como menor transconductancia, mayor resistencia de salida y menor β que también deben considerarse. Una solución práctica para este problema de baja impedancia de entrada es colocar una etapa de emisor común en la entrada para formar un amplificador en cascada .

• Debido a que la impedancia de entrada es tan baja, la mayoría de las fuentes de señal tienen una impedancia de fuente mayor que la del amplificador de base común R _in . La consecuencia es que la fuente entrega una corriente a la entrada en lugar de un voltaje, incluso si es una fuente de voltaje. (Según el teorema de Norton , esta corriente es aproximadamente i _in = v _S / R _S ). Si la señal de salida también es una corriente, el amplificador es un búfer de corriente y entrega la misma corriente que la de entrada. Si la salida se toma como un voltaje, el amplificador es un amplificador de transresistencia y entrega un voltaje que depende de la impedancia de carga, por ejemplo v _out = i _in R _L para una carga de resistencia R _L mucho menor en valor que la resistencia de salida del amplificador R _out . Es decir, la ganancia de voltaje en este caso (explicada con más detalle a continuación) es

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

Nótese que para impedancias de fuente tales que R _S ≫ r _E la impedancia de salida se aproxima a R _out = R _C || [ g _m ( r _π || R _S ) r _O ].

• Para el caso especial de fuentes de muy baja impedancia, el amplificador de base común funciona como un amplificador de voltaje, uno de los ejemplos que se analizan a continuación. En este caso (explicado con más detalle a continuación), cuando R _S ≪ r _E y R _L ≪ R _out , la ganancia de voltaje se convierte en

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

donde g _m = I _C / V _T es la transconductancia. Nótese que para una impedancia de fuente baja, R _out = r _O || R _C .

• La inclusión de r _O en el modelo híbrido-pi predice la transmisión inversa desde la salida del amplificador a su entrada, es decir, el amplificador es bilateral . Una consecuencia de esto es que la impedancia de entrada/salida se ve afectada por la impedancia de terminación de carga/fuente, por lo tanto, por ejemplo, la resistencia de salida R _out puede variar en el rango r _O || R _C ≤ R _out ≤ (β + 1) r _O || R _C , dependiendo de la resistencia de la fuente R _S . El amplificador puede aproximarse como unilateral cuando el descuido de r _O es preciso (válido para ganancias bajas y resistencias de carga bajas a moderadas), lo que simplifica el análisis. Esta aproximación a menudo se realiza en diseños discretos, pero puede ser menos precisa en circuitos de RF y en diseños de circuitos integrados, donde normalmente se utilizan cargas activas.

Para el caso en que el circuito de base común se utiliza como amplificador de voltaje, el circuito se muestra en la Figura 2.

La resistencia de salida es grande, al menos R _C || r _O , el valor que surge con baja impedancia de fuente ( R _S ≪ r _E ). Una resistencia de salida grande no es deseable en un amplificador de voltaje, ya que conduce a una mala división de voltaje en la salida. No obstante, la ganancia de voltaje es apreciable incluso para cargas pequeñas: según la tabla, con R _S = r _E la ganancia es A _v = g _m R _L / 2 . Para impedancias de fuente mayores, la ganancia está determinada por la relación de resistencias R _L / R _S , y no por las propiedades del transistor, lo que puede ser una ventaja donde la insensibilidad a la temperatura o las variaciones del transistor es importante.

Una alternativa al uso del modelo híbrido-pi para estos cálculos es una técnica general basada en redes de dos puertos . Por ejemplo, en una aplicación como esta, donde el voltaje es la salida, se podría seleccionar un puerto doble equivalente a g para simplificar, ya que utiliza un amplificador de voltaje en el puerto de salida.

Para valores de R _S cercanos a r _E el amplificador es de transición entre amplificador de voltaje y buffer de corriente. Para R _S ≫ r _E la representación del controlador como una fuente de Thévenin debe reemplazarse por una representación con una fuente de Norton . El circuito de base común deja de comportarse como un amplificador de voltaje y se comporta como un seguidor de corriente, como se analiza a continuación.

La figura 3 muestra el amplificador de base común utilizado como seguidor de corriente. La señal del circuito la proporciona una fuente Norton de CA (corriente I _S , resistencia Norton R _S ) en la entrada, y el circuito tiene una carga de resistencia R _L en la salida.

Como se mencionó anteriormente, este amplificador es bilateral como consecuencia de la resistencia de salida r _O , que conecta la salida con la entrada. En este caso, la resistencia de salida es grande incluso en el peor de los casos (es al menos r _O || R _C y puede convertirse en (β + 1) r _O || R _C para R _S grande ). Una resistencia de salida grande es un atributo deseable de una fuente de corriente porque la división de corriente favorable envía la mayor parte de la corriente a la carga. La ganancia de corriente es casi la unidad siempre que R _S ≫ r _E .

Una técnica de análisis alternativa se basa en redes de dos puertos . Por ejemplo, en una aplicación como esta, donde la corriente es la salida, se selecciona un puerto doble equivalente a h porque utiliza un amplificador de corriente en el puerto de salida.

• Coleccionista común
• Emisor común
• Puerta común
• Drenaje común
• Fuente común
• Amplificador diferencial
• Modelo híbrido-pi
• Red de dos puertos

• ECE 327: Conceptos básicos de transistores: ofrece un ejemplo de circuito de base común (es decir, fuente de corriente) con una explicación.