Lecture Electrical Engineering: Lecture 26 - Dr. Nasim Zafar

The main contents of the chapter consist of the following: Introduction, the BJT internal capacitances, high-frequency BJT model, the high-frequency hybrid.

COMSATS Institute of Information Technology

Virtual campusIslamabad

The  BJT Internal Capacitance and

High Frequency Model

The BJT Internal Capacitances

Ø and take them into account by adding capacitances to 

the hybrid­  model. π

je

C C

Ø The BJT inherently has junction capacitances which affect its performance at high frequencies. Cb represents the base 

C

(cont’d)

v In an integrated circuit, the BJTs are fabricated in the surface region of a Si wafer substrate; another junction exists between the collector and substrate, resulting in substrate junction 

capacitance, CCS.

F de

V

I g

C

oe BE

je

V V

C C

• where Cje0 is the value of Cje at zero voltage, V0e is the EBJ  built­in voltage (typically, 0.9 V), and m is the grading 

coefficient of the EBJ junction (typically, 0.5). 

V V

C C

) 1

(

0

where Cμ0 is the value of Cμ at zero voltage, V 0c  is the CBJ built­in voltage 

(typically, 0.75 V), and m is its grading coefficient (typically, 0.2–0.5).

C

Ø The hybrid­  model of the BJT, including capacitive effects, is πshown in Slide 20. 

The High­Frequency Hybrid­  Model

je

de C C

C

v Two capacitances C   π and Cμ , where      

v One resistance rx . Accurate value is obtained form high frequency 

measurement.

Ø The transistor data sheets do not usually specify the value of C  π

Ø Rather, the behavior of β or hfe versus frequency is normally given. 

Ø In order to determine C  and π Cμ we shall derive an expression 

for hfe, the CE short­circuit current gain, as a function of 

frequency in terms of the hybrid­  components. π

V I

in m out g V I

in

m T

in T

m in

m in

out

C g

C j

g Z

g I

I

1 1

0

) (

CE

v B

C

I s h

Ø Circuit for deriving an expression for         

Ø According to the definition, output port is short circuit

(cont’d)

Ø Expression of the short­circuit current transfer function

Ø Characteristic is similar to the one of first­order low­pass filter

r C

C s

s

h fe

)(

1)

(cont’d)

Ø Slide 28 shows a Bode plot for hfe . 

Ø From the –6­dB/octave slope it follows that the frequency at which hfe drops to unity, which is called the unity­gain 

bandwidth ωT, is given by:

(cont’d)

r C

(

1

C C

gm

g f

(cont’d)

v Typically,  fT is in the range of :

v 100 MHz to tens of GHz. 

T

b dBC

f f

Frequency Response of the CE Amplifier

Ø Typically, an amplifier is designed to work over a limited range of frequencies

– At “high frequencies”, the gain of an amplifier decreases

v The voltage gain of an amplifier is typically flat over the mid­frequency range, but drops drastically for low or high 

frequencies.  A typical frequency response is shown below

LM(A vi ) = 20log(v o /v i )  [in dB] 

BW    

C j

R g

L C

C

m v

C R

R g

A

The Common­Emitter Amplifier

Nasim Zafar

Frequency Response of a CE Amplifier

 (contd.)

Ø Each capacitor forms a break point (simple pole or zero) with 

a break frequency of the form f=1/(2 REqC), where REq is πthe resistance seen by the capacitor. 

Ø CE usually yields the highest low­frequency break which 

establishes fLow

v The gain­bandwidth product is commonly used to benchmark amplifiers.  

CC C

L C

C m

C V V

V I

C R

R g

1     

1 n

Consumptio Power 

Bandwidth Gain

Operation at low T, low VCC, and with small CL  superior FOM