CO2005: I

Basic BJT

張大中 中央大學 通訊工程系 [email protected]

中央大學通訊系 張大中 Electronics I, Neamen 3th Ed. 1 The Bipolar Linear  To use the circuit as an amplifier, the needs to be biased with a dc voltage at a quiescent point (Q-point), such that the transistor is biased in the forward-active region.  If the transistor is not biased in the active region, the output voltage does not change with a change in the input voltage.

中央大學通訊系 張大中 Electronics I, Neamen 3th Ed. 2 The Bipolar Linear Amplifier  To obtain a linear amplifier, the time-varying or ac currents and voltages must be small enough to ensure a linear relation between the ac signals.

中央大學通訊系 張大中 Electronics I, Neamen 3th Ed. 3 Analysis of AC Circuit (Small Signal Analysis)  Assume that the transistor is baised in the forward-active region with appropriate dc voltages and currents.

BE is forward-biased, iE I S exp(vBE /VT ) I I I i  S exp(v /V )  S exp((V v ) /V )  S exp(V /V )exp(v /V ) B 1 BE T 1 BEQ be T 1 BEQ T be T

I BQ exp(vbe /VT ) I BQ (1vbe /VT ) I BQ ib

ib (I BQ /VT )vbe Similarly, we have: DC Components:

VBB I BQ RB VBEQ iB I BQ ib VCC ICQ RC VCEQ iC ICQ ic DC+AC Components: vCE VCEQ vce VBB vs iB RB vBE (I BQ ib )RB (VBEQ vbe ) vBE VBEQ vbe VCC iC RC vCE (ICQ ic )RC (VCEQ vce ) AC Components:

vs ibRB vbe

ic RC vce 0 中央大學通訊系 張大中 Electronics I, Neamen 3th Ed. 4 Small Signal Hybrid-Equivalent Circuit

vbe ibr 1 i  I   B  S exp(v /V ) r v v 1 BE T   BE Q BE  Q 1 I  I  S exp(v /V )  BQ V 1 BE T  V T  Q T

r : diffusion resistance

iC I S exp(vBE /VT )

iC iC 1 ICQ   I S exp(vBE /VT )  gm vBE vBE Q VT VT

gm : transconductance

VT ICQ rgm    I BQ VT

中央大學通訊系 張大中 Electronics I, Neamen 3th Ed. 5 Small Signal Hybrid-Equivalent Circuit

iC iC  iB iB Q i i  c  C  ib iB Q

中央大學通訊系 張大中 Electronics I, Neamen 3th Ed. 6 Small Signal Hybrid-Equivalent Circuit

Vo gmVbeRC Vo IbRC

r Vs Vbe ( )Vs Ib  r RB r RB

Vo r Vo RC Av  gmRC Av   Vs r RB Vs r RB

中央大學通訊系 張大中 Electronics I, Neamen 3th Ed. 7 中央大學通訊系 張大中 Electronics I, Neamen 3th Ed. 8 DC and AC Circuit Model

中央大學通訊系 張大中 Electronics I, Neamen 3th Ed. 9 Bipolar AC Analysis

中央大學通訊系 張大中 Electronics I, Neamen 3th Ed. 10 Small Signal Equivalent Circuit Including Early Effect

iC I S exp(vBE /VT )(1vCE /VT )

VA : is the Early voltage

The output resistance is

v 1 i 1 ICQ r  CE  C I exp(v /V )   o i r v S BE T V V C Q o CE Q A A

中央大學通訊系 張大中 Electronics I, Neamen 3th Ed. 11 中央大學通訊系 張大中 Electronics I, Neamen 3th Ed. 12 Small Signal Hybrid-Equivalent Circuit for PNP BJT

中央大學通訊系 張大中 Electronics I, Neamen 3th Ed. 13 Small Signal Hybrid-Equivalent Circuit for PNP BJT

中央大學通訊系 張大中 Electronics I, Neamen 3th Ed. 14 中央大學通訊系 張大中 Electronics I, Neamen 3th Ed. 15 中央大學通訊系 張大中 Electronics I, Neamen 3th Ed. 16 Two Port Network Model

中央大學通訊系 張大中 Electronics I, Neamen 3th Ed. 17 Common-Emitter Amplifier

A. DC analysis B. AC analysis

6.3 VT 0.026 3 Vth  12 0.756V r  100  10 2.736K 93.7 6.3 ICQ 0.95 R 93.7K // 6.3K 5.9K VA 100 3 th ro   10 105K 0.756 0.7 ICQ 0.95 I  9.5A B v 1 6.3// 93.7 // r 5.9K i      v 0.288v I 100I 0.95mA b s s C B r r 6.3// 93.7 // r 0.5

vo ib (ro // RC ) 1000.288vs 5.67 163.23vs 12V

6K

Rth

Vth

中央大學通訊系 張大中 Electronics I, Neamen 3th Ed. 18 amplifier

中央大學通訊系 張大中 Electronics I, Neamen 3th Ed. 19 Common-Emitter Circuit with Emitter Resistor

A. DC analysis B. AC analysis

12.2 VT 0.026 Vth  10 1.79V r  100  1.2K 56 12.2 ICQ 2.16 R 56K //12.2K 10K v th i  s 0.1168v ,mA 1.79 0.7 s 10//(r (1) 0.4) 0.5 s I  0.0216mA  B 10 (1100) 0.4 10 ib  is 0.1938is ,mA 10 (r (1) 0.4) IC 100I B 2.16mA

10V vo ib RC 1000.19380.1168vs 2 4.527vs

2K

Rth

Vth 0.4K

中央大學通訊系 張大中 Electronics I, Neamen 3th Ed. 20 Amplification Stability

….. independent of 

中央大學通訊系 張大中 Electronics I, Neamen 3th Ed. 21 中央大學通訊系 張大中 Electronics I, Neamen 3th Ed. 22 中央大學通訊系 張大中 Electronics I, Neamen 3th Ed. 23 中央大學通訊系 張大中 Electronics I, Neamen 3th Ed. 24 Common Emitter Circuit with Emitter Bypass Capacitor  We can use an emitter bypass capacitor to effectively short out a portion or all of the emitter resistance to enhance the small-signal voltage gain.

中央大學通訊系 張大中 Electronics I, Neamen 3th Ed. 25 中央大學通訊系 張大中 Electronics I, Neamen 3th Ed. 26 Common-Emitter Circuit with Current Source

中央大學通訊系 張大中 Electronics I, Neamen 3th Ed. 27 中央大學通訊系 張大中 Electronics I, Neamen 3th Ed. 28 AC Load Line DC Load Line: AC Load Line:

中央大學通訊系 張大中 Electronics I, Neamen 3th Ed. 29 中央大學通訊系 張大中 Electronics I, Neamen 3th Ed. 30 中央大學通訊系 張大中 Electronics I, Neamen 3th Ed. 31 Maximum Symmetrical Swing  When symmetrical sinusoidal signals are applied to the input of an amplifier, symmetrical sinusoidal signals are generated at the output.  AC load can be used to determine the maximum output symmetrical swing.  If the output exceeds the limit, a portion of the output signal will be clipped and signal will occurs.

中央大學通訊系 張大中 Electronics I, Neamen 3th Ed. 32 中央大學通訊系 張大中 Electronics I, Neamen 3th Ed. 33 中央大學通訊系 張大中 Electronics I, Neamen 3th Ed. 34 中央大學通訊系 張大中 Electronics I, Neamen 3th Ed. 35 Common-Collector Amplifier (Emitter-Follower)

中央大學通訊系 張大中 Electronics I, Neamen 3th Ed. 36 Common-Collector Amplifier (Emitter-Follower)  Small-Signal Voltage Gain

Ib :Base Input Current

Vo Ib (1)(ro // RE )

Rib r (1)(ro // RE )

Ib Vb / Rib (Vb Vin )

(1)(ro // RE ) Vo  Vb r (1)(ro // RE )

Ri Vb  Vs Rs Ri

Ri R1 // R2 // Rib

Vo (1)(ro // RE ) R1 // R2 // Rib Av   Vs r (1)(ro // RE ) Rs R1 // R2 // Rib

中央大學通訊系 張大中 Electronics I, Neamen 3th Ed. 37 中央大學通訊系 張大中 Electronics I, Neamen 3th Ed. 38 Common-Collector Amplifier (Emitter-Follower)  Input Impedance

Rib r (1)(ro // RE )

Ri R1 // R2 // Rib

Vs Ii  Rs R1 // R2 //(r (1)(ro // RE ))  Output Impedance V I  x b r R // R // R  s 1 2 Ib V V I  x (1) x x I ro // RE r Rs // R1 // R2 b 1 I  x Ro Vx R // R // R r // R r Rs // R1 // R2  s 1 2 o E Ro  // ro // RE  1  中央大學通訊系 張大中 Electronics I, Neamen 3th Ed. 39 中央大學通訊系 張大中 Electronics I, Neamen 3th Ed. 40 Common-Collector Amplifier (Emitter-Follower)  Small-Signal Current Gain

中央大學通訊系 張大中 Electronics I, Neamen 3th Ed. 41 中央大學通訊系 張大中 Electronics I, Neamen 3th Ed. 42 中央大學通訊系 張大中 Electronics I, Neamen 3th Ed. 43 中央大學通訊系 張大中 Electronics I, Neamen 3th Ed. 44 Common-Base Amplifier  Small-Signal Voltage Gain (ro ) V I  x b Vx V r V V V V s x  x (1) x Rs RE r

Vs 1 1 1 (   )Vx Rs Rs RE r

r Vs I Vx b Vx (Rs // RE // ) 1 Rs

Vo gmV(RC // RL )

r Vs gm (RC // RL )(Rs // RE // ) Ib 1 Rs

gm (RC // RL ) r Av  (Rs // RE // ) gm (RC // RL ) (Rs  0) Rs 1

中央大學通訊系 張大中 Electronics I, Neamen 3th Ed. 45 Common-Base Amplifier  Small-Signal Current Gain V V I  x (1) x I i Vx b RE r 1 1     Vx RE r  V I  s b RE //(r/(1))

r Vs gmVRC gm RC  I   V Vx (Rs // RE // ) Vs o s 1 R RC RL RC RL s as Rs  0

Io gm RC  r  Ai   RE //  Ii RC RL  1  R  , R R , A  1 E C L i 1

中央大學通訊系 張大中 Electronics I, Neamen 3th Ed. 46 Common-Base Amplifier  Input Impedance

Ii (1)Ib

V Ibr

Rie V/ Ii r/(1)

 Output Impedance

V (Rs // RE // r)gmV

[1(Rs // RE // r)gm ]V 0

V 0

Ro RC Rs // RE // r

中央大學通訊系 張大中 Electronics I, Neamen 3th Ed. 47 Multistage Amplifiers: Cascade Configuration

V  R  A  o g g (R // R )(R // r ) is  v m1 m2 C 2 L C1 2   Ris R1 // R2 // r1 Vs Rs Ris  中央大學通訊系 張大中 Electronics I, Neamen 3th Ed. 48 Darlington Pair Configuration

I1

I3

I2

I1 1Ii Ai Io / Ii 12 2 1 12

Ri r1 (11)r2 I2 (11)Ii

1VT (1 1)VT 2 I3 2 I2 2 (11)Ii r1   (1 1)r2 ICQ1 ICQ2 Io I1 I3 (12 2 1)Ii Ri (1 1)r2 (11)r2 2(1 1)r2

中央大學通訊系 張大中 Electronics I, Neamen 3th Ed. 49 Multistage Amplifiers: Configuration

V1 Vs

中央大學通訊系 張大中 Electronics I, Neamen 3th Ed. 50 Power Consideration  DC Power

 Total Current and Voltage

中央大學通訊系 張大中 Electronics I, Neamen 3th Ed. 51 Power Consideration  Total Power

0

0

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