공통 베이스

그림 1: 기본적인 NPN 공통 베이스 회로 (바이어스 세부 사항 제외) 일렉트로닉스에서 **공통 베이스**, **커먼 베이스**(common base), **접지 베이스**는 증폭기는 세 가지 기본적인 단일 스테이지 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT) 증폭기 토폴로지 중 하나이며, 일반적으로 전류 버퍼 또는 전압 앰프로 사용된다. 이 회로에서 트랜지스터의 이미터 단자는 입력으로, 컬렉터는 출력으로 사용되며, 베이스는 접지에 연결되거나 "공통"이 되므로 이러한 이름이 붙었다. 유사한 장효과 트랜지스터 회로는 공통 게이트 증폭기이다.
# 응용
이 배열은 저주파 개별 회로에서는 그다지 일반적이지 않으며, 일반적으로 비정상적으로 낮은 입력 임피던스를 요구하는 증폭기, 예를 들어 무빙 코일 마이크로폰용 프리 앰프로 사용된다. 그러나 VHF 및 극초단파와 같은 집적 회로 및 고주파 증폭기에서는 입력 용량이 밀러 효과의 영향을 받지 않아 공통 이미터 구성의 대역폭을 저하시키지 않고, 입력과 출력 간의 비교적 높은 절연성 때문에 널리 사용된다. 이 높은 절연성은 출력에서 입력으로의 피드백이 거의 없어 높은 안정성을 제공한다는 것을 의미한다. 이 구성은 전류 이득이 대략 단위에 가깝기 때문에(아래 공식 참조) 전류 버퍼로도 유용하다. 종종 공통 베이스는 이러한 방식으로 사용되며, 그 앞에는 공통 이미터 스테이지가 온다. 이 두 가지의 조합은 캐스코드 구성을 형성하며, 이는 높은 입력 임피던스와 절연과 같은 각 구성의 여러 이점을 가진다.
# 저주파 특성
저주파 및 소신호 조건에서 그림 1의 회로는 그림 2의 회로로 나타낼 수 있으며, BJT용 하이브리드-파이 모델이 사용되었다. 입력 신호는 직렬 저항 Rs를 가진 테브난 전압원 vs로 표현되며, 부하는 저항 RL이다. 이 회로는 공통 베이스 증폭기의 다음 특성을 도출하는 데 사용될 수 있다. {| class="wikitable" |- ! 개방 회로 전압 이득 | {A_{v = \left. \frac{v_\text{o{v_\text{i \right|_{R_\text{L} = \infty} | \frac{(g_m r_\text{o} + 1) R_\text{C{R_\text{C} + r_\text{o | g_\text{m} R_\text{C} | r_\text{o} \gg R_\text{C} |- ! 단락 회로 전류 이득 | A_{i} = \left. {i_\text{o} \over i_\text{i \right|_{R_\text{L} = 0} | \frac{r_\pi + \beta r_\text{o{r_\pi + (\beta + 1)r_\text{o | 1 | \beta \gg 1 |- ! 입력 저항 | R_\text{in} = \frac{v_i}{i_i} | \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 | r_\text{E} \left( \approx \frac{1}{g_\text{m \right) | r_\text{o} \gg R_\text{C} \parallel R_\text{L}\quad \left(\beta \gg 1\right) |- ! 출력 저항 | R_\text{out} = \left. \frac{v_\text{o{-i_\text{o \right|_{v_\text{s} = 0} | 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) | \begin{align} 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{align} | \begin{align} R_\text{S} &\ll r_\text{E} \\\ R_\text{S} &\gg r_\text{E} \end{align} |} : **참고:** 병렬선(||)은 병렬 연결된 구성 요소를 나타낸다. 일반적으로 전체 전압/전류 이득은 (소스 및 부하 저항에 따라) 부하 효과로 인해 위에 나열된 개방/단락 회로 이득보다 상당히 작을 수 있다.
## 능동 부하
전압 증폭의 경우, 그림 1과 같이 저항 부하 RC를 사용할 때 이 증폭기에서 허용되는 출력 전압 스윙 범위는 전압 이득에 묶여 있다. 즉, 큰 전압 이득은 큰 RC를 요구하며, 이는 다시 RC에 걸리는 큰 DC 전압 강하를 의미한다. 주어진 공급 전압에 대해 이 강하가 클수록 트랜지스터 VCB는 작아지고, 트랜지스터 포화가 발생하기 전에 허용되는 출력 스윙은 줄어들어 결과적으로 출력 신호의 왜곡이 발생한다. 이 상황을 피하기 위해 능동 부하, 예를 들어 전류 미러를 사용할 수 있다. 이 선택을 하면 위 표의 RC 값은 능동 부하의 소신호 출력 저항으로 대체되는데, 이는 일반적으로 그림 1의 능동 트랜지스터의 rO보다 작지 않다. 반면에 능동 부하에 걸리는 DC 전압 강하는 고정된 낮은 값(능동 부하의 **컴플라이언스 전압**)을 가지며, 저항 RC를 사용하여 유사한 이득을 얻을 때 발생하는 DC 전압 강하보다 훨씬 작다. 즉, 능동 부하는 출력 전압 스윙에 대한 제한을 덜 가한다. 능동 부하 여부에 관계없이 큰 AC 이득은 여전히 큰 AC 출력 저항과 관련되어 있으며, 이는 큰 부하 RL ≫ Rout을 제외하고는 출력에서 좋지 않은 전압 분배를 초래한다. 전류 버퍼로 사용할 경우 이득은 RC의 영향을 받지 않지만, 출력 저항은 영향을 받는다. 출력에서의 전류 분배 때문에, 부하에 큰 신호 전류를 전달할 수 있도록 버퍼의 출력 저항이 구동되는 부하 RL보다 훨씬 커야 한다. 그림 1과 같이 저항 RC를 사용하면 큰 출력 저항이 큰 RC와 결합되어 출력 신호 스윙의 진폭을 다시 제한한다. (부하에 전류가 전달되더라도 일반적으로 부하에 큰 전류 신호가 흐르면 부하에 걸리는 전압 스윙도 크다.) 능동 부하는 출력 신호 스윙의 진폭에 훨씬 덜 심각한 영향을 미치면서 높은 AC 출력 저항을 제공한다.
# 특성 개요
몇 가지 응용 예시가 아래에 자세히 설명되어 있다. 간략한 개요는 다음과 같다. * 이미터 노드에서 본 증폭기 입력 임피던스 Rin은 매우 낮으며, 대략 다음과 같이 주어진다. *: R_\text{in} = r_\text{E} = \frac{V_\text{T{I_\text{E, : 여기서 VT는 열 전압이고, IE는 DC 이미터 전류이다. : 예를 들어, VT = 26 mV, IE = 10 mA(매우 일반적인 값)일 때 Rin = 2.6 Ω이다. Rin을 증가시키기 위해 IE를 줄이면 트랜스컨덕턴스 감소, 출력 저항 증가, β 감소와 같은 다른 결과도 고려해야 한다. 이 낮은 입력 임피던스 문제에 대한 실용적인 해결책은 입력에 공통 이미터 스테이지를 배치하여 캐스코드 증폭기를 형성하는 것이다. * 입력 임피던스가 매우 낮기 때문에 대부분의 신호 소스는 공통 베이스 증폭기 Rin보다 큰 소스 임피던스를 갖는다. 결과적으로, 전압 소스임에도 불구하고 소스는 전압이 아닌 전류를 입력에 전달한다. (노턴의 정리에 따르면 이 전류는 대략 iin = vS / RS이다.) 출력 신호 또한 전류인 경우, 증폭기는 전류 버퍼이며 입력과 동일한 전류를 전달한다. 출력이 전압으로 취해지면 증폭기는 트랜스저항 증폭기이며 부하 임피던스에 따라 전압을 전달한다. 예를 들어, 증폭기 출력 저항 Rout보다 훨씬 작은 값의 저항 부하 RL에 대해 vout = iin RL이다. 즉, 이 경우의 전압 이득(아래에 더 자세히 설명됨)은 다음과 같다. *: 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. : RS ≫ rE인 소스 임피던스의 경우 출력 임피던스는 Rout = RC || [gm (rπ || RS) rO]에 접근한다. * 매우 낮은 임피던스 소스의 특별한 경우, 공통 베이스 증폭기는 전압 증폭기로 작동하며, 이는 아래에서 설명하는 예시 중 하나이다. 이 경우(아래에서 더 자세히 설명됨), RS ≪ rE 및 RL ≪ Rout일 때 전압 이득은 다음과 같다. *: A_\text{v} = \frac{v_\text{out{v_\text{S = \frac{R_\text{L{r_\text{E \approx g_\text{m} R_\text{L}, : 여기서 gm = IC / VT는 트랜스컨덕턴스이다. 낮은 소스 임피던스의 경우 Rout = rO || RC이다. * 하이브리드-파이 모델에 rO를 포함하는 것은 증폭기 출력에서 입력으로의 역방향 전송을 예측한다. 즉, 증폭기는 **양방향**이다. 이로 인한 한 가지 결과는 입력/출력 온저항이 부하/소스 종단 임피던스의 영향을 받으므로, 예를 들어 출력 저항 Rout은 소스 저항 RS에 따라 rO || RC ≤ Rout ≤ (β + 1) rO || RC 범위 내에서 달라질 수 있다는 것이다. rO를 무시하는 것이 정확할 때(낮은 이득 및 낮은-중간 부하 저항에 유효), 증폭기는 단방향으로 근사화될 수 있어 분석을 단순화한다. 이 근사화는 개별 설계에서 자주 이루어지지만, RF 회로 및 능동 부하가 일반적으로 사용되는 집적 회로 설계에서는 정확도가 떨어질 수 있다.
## 전압 증폭기
그림 2: 다양한 매개변수 계산을 위한 소신호 모델; 신호로서의 테브난 전압원 공통 베이스 회로가 전압 증폭기로 사용되는 경우의 회로는 그림 2에 나와 있다. 출력 저항은 크며, 최소한 RC || rO이다. 이 값은 낮은 소스 임피던스(RS ≪ rE)에서 발생한다. 큰 출력 저항은 출력에서 좋지 않은 전압 분배를 유발하므로 전압 증폭기에서는 바람직하지 않다. 그럼에도 불구하고 작은 부하에서도 전압 이득은 상당하다. 표에 따르면 RS = rE일 때 이득은 Av = gm RL / 2이다. 더 큰 소스 임피던스의 경우 이득은 저항비 RL / RS에 의해 결정되며, 트랜지스터 특성에 의해 결정되지 않는다. 이는 온도 또는 트랜지스터 변화에 대한 둔감성이 중요한 경우 장점이 될 수 있다. 이러한 계산에 하이브리드-파이 모델을 사용하는 것 외에 사단자 회로망을 기반으로 하는 일반적인 기술도 있다. 예를 들어, 전압이 출력인 이러한 응용 프로그램에서는 출력 포트에 전압 증폭기를 사용하므로 g-등가 사단자 회로망을 단순성을 위해 선택할 수 있다. RS 값이 rE 부근에 있을 때 증폭기는 전압 증폭기와 전류 버퍼 사이의 과도기적 특성을 보인다. RS ≫ rE일 때 드라이버 표현은 테브난 소스 대신 노턴 소스로 대체되어야 한다. 공통 베이스 회로는 전압 증폭기처럼 작동하지 않고 다음에서 논의하는 바와 같이 전류 팔로워처럼 작동한다.
## 전류 팔로워
그림 3: 노턴 드라이버가 있는 공통 베이스 회로; 능동 부하가 무한 소신호 출력 저항을 갖는다고 가정했으므로 RC는 생략됨 그림 3은 전류 팔로워로 사용되는 공통 베이스 증폭기를 보여준다. 회로 신호는 입력에서 AC 노턴 소스(전류 IS, 노턴 저항 RS)에 의해 제공되며, 회로는 출력에서 저항 부하 RL을 갖는다. 앞서 언급했듯이, 이 증폭기는 출력을 입력에 연결하는 출력 저항 rO의 결과로 **양방향**이다. 이 경우 출력 저항은 최악의 경우에도 크다(최소 rO || RC이며 큰 RS에 대해 (β + 1) rO || RC가 될 수 있다). 큰 출력 저항은 전류 소스의 바람직한 특성인데, 유리한 전류 분배가 대부분의 전류를 부하로 보내기 때문이다. 전류 이득은 RS ≫ rE인 한 거의 1이다. 대안적인 분석 기술은 사단자 회로망을 기반으로 한다. 예를 들어, 전류가 출력인 이러한 응용 프로그램에서는 출력 포트에 전류 증폭기를 사용하므로 h-등가 사단자 회로망이 선택된다.