วงจรขยาย สัญญาณ เบสร่วม ( Common Base Amplifier ) ​​เป็นวงจรขยายสัญญาณแบบไบโพลาร์จังก์ชัน (BJT) อีกประเภทหนึ่ง โดยที่ขั้วเบสของทรานซิสเตอร์เป็นขั้วร่วมสำหรับสัญญาณอินพุตและเอาต์พุต จึงเป็นที่มาของชื่อวงจรนี้ว่า คอม มอนเบส (Common Base: CB) วงจรขยายสัญญาณเบสร่วมนี้พบได้น้อยกว่าวงจรขยายสัญญาณ แบบคอม มอนอิมิตเตอร์ (Common Emitter: CE) หรือ คอมมอนคอลเลกเตอร์ (Common Collector: CC) ซึ่งเป็นที่นิยมมากกว่า แต่ก็ยังคงใช้งานอยู่เนื่องจากคุณสมบัติเฉพาะของอินพุต/เอาต์พุต

เพื่อให้วงจรฐานร่วมทำงานเป็นเครื่องขยายเสียง สัญญาณอินพุตจะถูกป้อนไปยังขั้วอิมิตเตอร์ และเอาต์พุตจะถูกดึงจากขั้วคอลเลกเตอร์ ดังนั้น กระแสอิมิตเตอร์จึงเป็นกระแสอินพุต และกระแสคอลเลกเตอร์ก็เป็นกระแสเอาต์พุตเช่นกัน แต่เนื่องจากทรานซิสเตอร์เป็นอุปกรณ์สามชั้นสองจุดต่อ p-n จึงต้องมีการไบอัสที่ถูกต้องจึงจะทำงานเป็น เครื่องขยายเสียงฐานร่วมได้นั่นคือ รอยต่อเบส-อิมิตเตอร์ถูกไบอัสไปข้างหน้า

พิจารณาการกำหนดค่าเครื่องขยายฐานทั่วไปพื้นฐานด้านล่างนี้

เครื่องขยายสัญญาณฐานร่วมที่ใช้ทรานซิสเตอร์ NPN

จากนั้นเราจะเห็นได้จากการกำหนดค่าฐานร่วมพื้นฐานว่าตัวแปรอินพุตมีความสัมพันธ์กับกระแสตัวปล่อย I_E และแรงดันฐาน-ตัวปล่อย V_BEในขณะที่ตัวแปรเอาต์พุตมีความสัมพันธ์กับกระแสตัวรวบรวม I_C และแรงดันตัว รวบรวม -ฐาน V_CB

เนื่องจากกระแสของตัวปล่อย (I_E) ก็เป็นกระแสอินพุตด้วย การเปลี่ยนแปลงใดๆ ที่เกิดขึ้นกับกระแสอินพุตจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่สอดคล้องกันในกระแสของตัวสะสม (I_C ) สำหรับวงจรขยายสัญญาณฐานร่วม ค่าเกนกระแส (A_i) ถูกกำหนดเป็น i_OUT/i_IN ซึ่งตัวมันเองถูกกำหนดโดยสูตร I_C/I_Eค่าเกนกระแสสำหรับวงจรขยายสัญญาณฐานร่วมเรียกว่า อัลฟา ( α )

ในเครื่องขยายเสียง BJT กระแสที่ตัวปล่อยจะมากกว่ากระแสที่ตัวรวบรวมเสมอ โดยที่ I_E = I_B + I_Cดังนั้นค่าเกนกระแส ( α ) ของเครื่องขยายเสียงจะต้องน้อยกว่าหนึ่ง (หนึ่ง) เนื่องจาก I_C มีค่าน้อยกว่า IE เสมอ ด้วยค่า I_Bดังนั้น เครื่องขยายเสียง CB จะลดทอนกระแส โดยค่าอัลฟาโดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 0.980 ถึง 0.995

สามารถแสดงความสัมพันธ์ทางไฟฟ้าระหว่างกระแสทรานซิสเตอร์ทั้งสามตัวเพื่อแสดงนิพจน์สำหรับอัลฟา α และเบตา β ตามที่แสดง

อัตราขยายกระแสของเครื่องขยายเสียง

ดังนั้น หากค่าเบต้าของทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์จังก์ชันมาตรฐานคือ 100 ค่าอัลฟาก็จะกำหนดเป็น: 100/101 = 0.99

อัตราขยายแรงดันไฟฟ้าของเครื่องขยายเสียง

เนื่องจากเครื่องขยายสัญญาณฐานร่วมไม่สามารถทำงานเป็นเครื่องขยายสัญญาณกระแสได้ (A_i ≅ 1) จึงจำเป็นต้องสามารถทำงานเป็นเครื่องขยายสัญญาณแรงดันไฟฟ้าได้ อัตราขยายแรงดันไฟฟ้าสำหรับเครื่องขยายสัญญาณฐานร่วมคืออัตราส่วนของ V_OUT/V_IN นั่นคือแรงดันไฟฟ้าคอลเลกเตอร์ V_C ต่อแรงดันไฟฟ้าอิมิตเตอร์ V_Eกล่าวอีกนัยหนึ่งคือ V_OUT = V_C และ V_IN = V_E

เนื่องจากแรงดันเอาต์พุต V_OUT เกิดขึ้นระหว่างความต้านทานของคอลเลกเตอร์ R_Cแรงดันเอาต์พุตจึงต้องเป็นฟังก์ชันของ IC ตามกฎของโอห์ม V_RC = I_C*R_Cดังนั้นการเปลี่ยนแปลงใดๆ ใน I_E จะส่งผลให้การเปลี่ยนแปลงใน I_C สอดคล้อง กัน

จากนั้นเราสามารถพูดได้สำหรับการกำหนดค่าเครื่องขยายฐานร่วมว่า:

เนื่องจาก IC/IE มีค่าเป็นอัลฟ่า เราจึงสามารถแสดงค่าเกนแรงดันไฟฟ้าของเครื่องขยายเสียงได้ดังนี้:

ดังนั้นค่าเกนแรงดันไฟฟ้าจึงมีค่าใกล้เคียงกับอัตราส่วนระหว่างความต้านทานของตัวสะสมต่อความต้านทานของตัวปล่อย อย่างไรก็ตาม ภายในทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์มีจุดเชื่อมต่อแบบ pn-diode จุดเดียว ระหว่างขั้วเบสและขั้วอิมิตเตอร์ ซึ่งก่อให้เกิดสิ่งที่เรียกว่าความต้านทานแบบไดนามิกของทรานซิสเตอร์ (r'e )

สำหรับสัญญาณอินพุต AC รอยต่อไดโอดอิมิตเตอร์มีค่าความต้านทานของสัญญาณขนาดเล็กที่มีประสิทธิภาพ ซึ่งกำหนดโดย: r'e = 25mV/I_Eโดยที่ 25mV คือแรงดันไฟฟ้าความร้อนของรอยต่อ p-n และ I_E คือกระแสอิมิตเตอร์ ดังนั้น เมื่อกระแสที่ไหลผ่านอิมิตเตอร์เพิ่มขึ้น ความต้านทานของอิมิตเตอร์จะลดลงตามสัดส่วน

กระแสอินพุตบางส่วนไหลผ่านตัวต้านทานที่จุดต่อเบส-อิมิตเตอร์ภายในไปยังเบส รวมถึงผ่านตัวต้านทานอิมิตเตอร์ที่เชื่อมต่อภายนอก (R_E ) สำหรับการวิเคราะห์สัญญาณขนาดเล็ก ตัวต้านทานทั้งสองนี้จะเชื่อมต่อแบบขนานกัน

เนื่องจากค่า r'e มีค่าน้อยมาก และ ค่า R_E มักจะมีค่ามากกว่ามาก โดยปกติจะอยู่ในช่วงกิโลโอห์ม (kΩ) ขนาดของค่าเกนแรงดันไฟฟ้าของเครื่องขยายสัญญาณจึงเปลี่ยนแปลงแบบไดนามิกตามระดับกระแสของตัวปล่อยที่แตกต่างกัน

ดังนั้นหาก R_E ≫ r'e แล้วค่าเกนแรงดันไฟฟ้าที่แท้จริงของเครื่องขยายฐานร่วมจะเป็นดังนี้:

เนื่องจากค่าเกนกระแสจะเท่ากับประมาณหนึ่งเมื่อ I_C ≅ I_Eดังนั้นสมการค่าเกนแรงดันไฟฟ้าจึงลดรูปเหลือเพียง:

ตัวอย่างเช่น หากมีกระแสไหลผ่านจุดเชื่อมต่อฐานตัวปล่อย (emitter-base junction) 1mA อิมพีแดนซ์ไดนามิกจะเท่ากับ 25mV/1mA = 25Ω ค่าเกนแรงดันไฟฟ้า (AV) สำหรับความต้านทานโหลดของคอลเลกเตอร์ที่ 10kΩ จะเท่ากับ 10,000/25 = 400 และยิ่งมีกระแสไหลผ่านจุดเชื่อมต่อมากเท่าใด ความต้านทานไดนามิกก็จะยิ่งต่ำลง และค่าเกนแรงดันไฟฟ้าก็จะสูงขึ้นเท่านั้น

ในทำนองเดียวกัน ยิ่งค่าความต้านทานโหลดสูงขึ้นเท่าใด ค่าเกนแรงดันไฟฟ้าของเครื่องขยายเสียงก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น อย่างไรก็ตาม วงจรขยายสัญญาณฐานร่วมที่ใช้งานจริงมักจะไม่ใช้ตัวต้านทานโหลดที่มีค่ามากกว่าประมาณ 20kΩ โดยค่าเกนแรงดันไฟฟ้าโดยทั่วไปจะอยู่ระหว่างประมาณ 100 ถึง 2000 ขึ้นอยู่กับค่า RCโปรดทราบว่าค่าเกนกำลังของเครื่องขยายเสียงจะใกล้เคียงกับค่าเกนแรงดันไฟฟ้า

เนื่องจากค่าเกนแรงดันไฟฟ้าของ วงจรขยายสัญญาณฐาน ร่วมขึ้นอยู่กับอัตราส่วนของค่าความต้านทานทั้งสองนี้ จึงสรุปได้ว่าไม่มีการกลับเฟสระหว่างตัวปล่อยสัญญาณและตัวสะสม ดังนั้น รูปคลื่นอินพุตและเอาต์พุตจึงอยู่ในเฟสเดียวกัน แสดงให้เห็นว่าวงจรขยายสัญญาณฐานร่วมเป็นวงจรขยายสัญญาณแบบไม่กลับเฟส

ค่าความต้านทานของเครื่องขยายเสียง

หนึ่งในคุณสมบัติที่น่าสนใจของวงจรขยายสัญญาณเบสร่วมคืออัตราส่วนของอิมพีแดนซ์อินพุตและเอาต์พุต ซึ่งก่อให้เกิดค่าที่เรียกว่าค่า ความต้านทานของวงจรขยายสัญญาณ (Resistance Gain ) ซึ่งเป็นคุณสมบัติพื้นฐานที่ทำให้การขยายสัญญาณเป็นไปได้ ข้างต้นนี้ อินพุตเชื่อมต่อกับตัวปล่อยสัญญาณ และเอาต์พุตถูกดึงมาจากตัวรวบรวมสัญญาณ

ระหว่างขั้วอินพุตและขั้วกราวด์ มีเส้นทางต้านทานขนานที่เป็นไปได้สองเส้นทาง เส้นทางหนึ่งผ่านตัวต้านทานตัวปล่อย R_E ไปยังกราวด์ และอีกเส้นทางหนึ่งผ่าน r'e และขั้วฐานไปยังกราวด์ ดังนั้น เมื่อพิจารณาตัวปล่อยที่มีฐานต่อลงกราวด์ เราจึงสามารถกล่าวได้ว่า: Z_IN = R_E|| r'e

แต่เนื่องจากความต้านทานตัวปล่อยไดนามิก r'e มีค่าน้อยมากเมื่อเทียบกับ RE ( r'e≪RE ) ความต้านทานตัวปล่อยไดนามิกภายใน r'e จึงมีอิทธิพลเหนือสมการ ส่งผลให้ค่าอิมพีแดนซ์อินพุตต่ำเท่ากับ r'e โดยประมาณ

ดังนั้นสำหรับการกำหนดค่าฐานร่วม อิมพีแดนซ์อินพุตจึงต่ำมาก และขึ้นอยู่กับค่าอิมพีแดนซ์ของแหล่งจ่าย RS ที่เชื่อมต่อกับขั้วอิมิตเตอร์ ค่าอิมพีแดนซ์อินพุตอาจอยู่ในช่วงระหว่าง 10Ω ถึง 200Ω อิมพีแดนซ์อินพุตต่ำของวงจรขยายฐานร่วมเป็นหนึ่งในเหตุผลหลักที่ทำให้มีการใช้งานที่จำกัดในฐานะเครื่องขยายเสียงแบบสเตจเดียว

อย่างไรก็ตาม อิมพีแดนซ์เอาต์พุตของวงจรขยาย CB อาจสูงได้ ขึ้นอยู่กับความต้านทานของคอลเลกเตอร์ที่ใช้ควบคุมอัตราขยายแรงดันไฟฟ้าและความต้านทานโหลดภายนอกที่เชื่อมต่อ (R_L ) หากความต้านทานโหลดเชื่อมต่อข้ามขั้วเอาต์พุตของวงจรขยาย ความต้านทานโหลดจะเชื่อมต่อแบบขนานกับความต้านทานของคอลเลกเตอร์ ดังนั้น Z_OUT = R_C|| R_L

แต่ถ้าความต้านทานโหลดที่เชื่อมต่อภายนอก RL มีค่าสูงมากเมื่อเทียบกับความต้านทานของคอลเลกเตอร์ R_Cแล้ว R_C จะมีอิทธิพลเหนือสมการขนาน ส่งผลให้อิมพีแดนซ์เอาต์พุต Z_OUT มีค่าปานกลาง ซึ่งมีค่าเท่ากับ R_C โดยประมาณ สำหรับการกำหนดค่าฐานร่วม อิมพีแดนซ์เอาต์พุตที่มองย้อนกลับไปยังขั้วคอลเลกเตอร์จะเป็นดังนี้: Z_OUT = R_C

เนื่องจากอิมพีแดนซ์เอาต์พุตของเครื่องขยายเสียงที่มองย้อนกลับไปยังขั้วคอลเลกเตอร์อาจมีค่าสูงมาก วงจรคอมมอนเบสจึงทำงานคล้ายกับแหล่งจ่ายกระแสในอุดมคติ โดยรับกระแสอินพุตจากด้านอิมพีแดนซ์อินพุตต่ำและส่งกระแสไปยังด้านอิมพีแดนซ์เอาต์พุตสูง ดังนั้น โครงสร้างของทรานซิสเตอร์คอมมอนเบสจึงเรียกอีกอย่างหนึ่งว่า บัฟเฟอร์กระแส หรือ วงจร ฟอลโลเวอร์กระแส และตรงกันข้ามกับวงจรคอมมอนคอลเลกเตอร์ (CC) ซึ่งเรียกว่า ฟอลโลเวอร์แรงดัน

สรุปการขยายฐานร่วม

เราได้เห็นแล้วในบทช่วยสอนนี้เกี่ยวกับ เครื่องขยายสัญญาณฐานร่วม ว่าเครื่องขยายสัญญาณฐานร่วมมีค่าเกนกระแส (อัลฟา) ประมาณหนึ่ง (หนึ่ง) แต่ค่าเกนแรงดันไฟฟ้าก็อาจสูงมากเช่นกัน โดยค่าทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 100 ถึงมากกว่า 2,000 ขึ้นอยู่กับค่า R_L ของตัวต้านทานโหลดคอลเลกเตอร์ ที่ใช้

เราได้เห็นแล้วว่าอิมพีแดนซ์อินพุตของวงจรขยายสัญญาณนั้นต่ำมาก แต่อิมพีแดนซ์เอาต์พุตอาจสูงมาก เรายังกล่าวอีกว่าวงจรขยายสัญญาณฐานร่วมจะไม่กลับสัญญาณอินพุต เนื่องจากเป็นวงจรขยายสัญญาณแบบไม่กลับสัญญาณ

เนื่องจากลักษณะความต้านทานอินพุต-เอาต์พุต การจัดเรียงเครื่องขยายสัญญาณฐานร่วมจึงมีประโยชน์อย่างยิ่งในแอปพลิเคชันเสียงและความถี่วิทยุในฐานะบัฟเฟอร์กระแสไฟฟ้าเพื่อจับคู่แหล่งที่มีความต้านทานต่ำกับโหลดที่มีความต้านทานสูง หรือเป็นเครื่องขยายสัญญาณแบบสเตจเดียวเป็นส่วนหนึ่งของการกำหนดค่าแบบคาสโคดหรือแบบหลายสเตจ โดยที่สเตจของเครื่องขยายสัญญาณหนึ่งสเตจจะถูกใช้เพื่อขับสเตจอื่น