Lecture Electrical Engineering: Lecture 21 - Dr. Nasim Zafar

The main contents of the chapter consist of the following: Common-emitter characteristics, BJT as an amplifier, small signal operation, BJT amplifiers using coupling and bypass capacitors, BJT amplifiers-DC equivalent circuits.

Dr. Nasim Zafar Electronics 1 ­ EEE 231  Fall Semester – 2012

COMSATS Institute of Information Technology

Virtual campus Islamabad

Common­Emitter Characteristics­I:

Ø We had discussed Common Emitter Current­Voltage  characteristic curves extensively to understand:

Ø How the transistor operates as  a linear signal amplifier      for the  ac signals.

Ø The basis for the amplifier application is the fact that  when

     the BJT is operated in the active­mode, it acts as the  voltage­controlled­current source: Changes in the base­ emitter voltage  VBE  give rise to changes in the collector 

current  Ic. 

Ø Thus, in the active­mode, the BJT can be used to 

implement a  transconductance amplifier.

Common­Emitter Characteristics­II:

Ø Once these basics are understood we will understand:

Ø How we can replace the transistor by  a small ac­signal  equivalent circuit.

Ø How to derive a simple  ac equivalent circuit  from the  characteristic curves.

Ø Some of the limitations of our simple equivalent circuit.

6 Nasim Zafar

The Common­Emitter Amplifier Circuit: 

Ø  The common­emitter amplifier exhibits  high voltage and    current gain. 

Ø The output signal is  180º out of phase  with the input.

8 Nasim Zafar

– VCC = VCE(sat) + IC(sat)RC

– but VCE(sat) is very small (few tenths), so

– IC(sat)  VCC/RC

10 Nasim Zafar

The signal source vbe removed

for dc­bias­analysis

Ø Thus the total output voltage  vo is given by:

The Signal Source, vbe,   removed for DC Bias Conditions

C C CC

CE

C B

C E

V

V S C

R I V

V

I I

I I

e I

/ /

/

15 Nasim Zafar

ØIf changes in the operating currents and voltages are small,  then  IC  and  VCE  waveforms are  undistorted replicas  of the  input signal.

ØA small voltage change at the base causes a large voltage  change at the collector. The voltage gain is given by:

) ( )

( t Av t

Ø “A” is the amplifier gain.

Ø Voltage amplification can be obtained simply by passing the collector current IC  through a resistance R C  

Common Base PNP ­ with an ac Signal

gain  

 voltage

V in

V

V

rE = internal ac emitter         resistance

q There will be a limit on the dissipated power:

Ø   PD(max) = VCEIC

Ø VCE and IC were the parameters plotted on the  characteristic curve.

• If there is a voltage limit (VCE(max)), then we can  compute the IC that results

• If there is a current limit (IC(max)), then we can  compute the VCE that results

19 Nasim Zafar

10 50

15 33

20 25

20 Nasim Zafar

Ø The transconductance (gm) of a transistor is a measure of  how well it converts a voltage signal into a current signal.

NPN Transistor 

VBE

         of the B­E Junction

VT = kT/q = 26 mV (@ T=300oK)

  = the emission coefficient and is      usually ~1

23 Nasim Zafar

T

be C

C

T be

V

v I

i

V v

1 :

Then

: realistic)  

is (which   

For 

T be

T be T BE

T be BE

T BE

V

v C

V v V

V S

V v

V S

V

v S C

be BE

BE

e I

e e

I

e I

e I i

v V

v

/

/ /

/ ) (

/

: Then

 : Since

expressing ex as a Taylor 

Series and truncating it after  the 2nd term.

24 Nasim Zafar

m

T

BE S

BE BE

C m

V

g

V

V I

dV

d dV

dI

g

exp 1

exp

Bypass Capacitors

Ø   In this type of Circuit, only the ac component reaches the load    because of the capacitive coupling

Ø   and that the output is 180º out of phase with input

28 Nasim Zafar

A complete Amplifier Circuit using the Generic Transistor. 

BJT Amplifiers­DC Equivalent Circuits:

Ø All capacitors in the original amplifier circuit are  replaced by  open circuits,  disconnecting vI, RI, and R3 from the circuit.

Ø  and leaving RE intact.  

Ø The transistor Q will be replaced by its DC model.

DC Equivalent Circuit

Rin

Ø   All externally connected capacitors are assumed as short      circuited elements for ac signal.

100kΩ

4.3kΩ 3

R

  C

R R

30kΩ

10kΩ 2

R

  1

R B

R

Ø  By combining parallel resistors into equivalent RB and R, the equivalent 

AC circuit above is constructed.   

Ø Here, the transistor will be replaced by its equivalent small­signal AC   model (to be developed)

Step  3

Step  4

Step

used

38 Nasim Zafar

Ø 1­ Small­Signal Operation: 

The ac base voltage has a dc component and an ac component. These set up dc and ac components of emitter current. One way to 

avoid excessive distortion is to use small­signal operation. This means keeping the peak­to­peak ac emitter current less than one­tenth of the 

dc emitter current

Ø 2­ AC Beta:

The ac beta of a transistor is defined as the ac collector current 

divided by the ac base current. The values of the ac beta usually differ only slightly from the values of the dc beta. When 

troubleshooting, you can use the same value for either beta. On data 

sheets, hFE is equivalent to   dcβ , and hfe is equivalent to   .β

Ø 4­Two Transistor Models:

As far as ac signals are concerned, a transistor can be replaced by either of two equivalent circuits: the ð model or the T model. The ð model indicates that the input impedance of the base is   rβ 'e.

Ø 5­Analyzing an Amplifier:

The simplest way to analyze an amplifier is to split the analysis into two parts: a dc analysis and an ac analysis. In the dc analysis, the capacitors are open. In the ac analysis, the capacitors are shorted and the dc supply points are ac grounds