Lecture Electrical Engineering: Lecture 18 - Dr. Nasim Zafar

COMSATS Institute of Information Technology
Virtual campus
Islamabad

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


 Transistor Biasing Circuits and Thermal 
Stability.

Lecture No: 
18
Nasim Zafar

2


References:
Ø Microelectronic Circuits:  
        Adel S. Sedra and Kenneth C. Smith. 

Ø

Electronic Devices :
  Thomas L. Floyd ( Prentice Hall ). 

Ø

Integrated Electronics 

  Jacob Millman and Christos Halkias (McGraw­Hill).

Ø

Electronic Devices and Circuit Theory:
   Robert Boylestad & Louis Nashelsky ( Prentice Hall ).

Ø

  Introductory Electronic Devices and Circuits: 
Nasim Zafar
        Robert T. Paynter. 

3


References for this Lecture:
Chapter No. 9

Ø Microelectronic Circuits:  
        Adel S. Sedra and Kenneth C. Smith. 

Ø

Integrated Electronics :
  Jacob Millman and Christos Halkias (McGraw­Hill).

Nasim Zafar

4

Objectives:

Ø

Ø

Ø

Ø

Discuss the concept of dc biasing of a transistor for the linear 
operation in the active region.
Establish an operating point Q in this active region to provide 
appropriate potentials and currents.
Analyze the voltage­divider bias, base bias, and collector­
feedback bias circuits. 
 Establish a criterion for comparing the stability of different 
biasing circuits. 

Nasim Zafar

5


Transistor Biasing Circuits:
an Introduction

Ø

Ø

Biasing refers to the establishment of suitable dc values of different currents 
and voltages of a given transistor.

Through proper biasing, a desired DC operating point or quiescent point; 

      Q­Point of the transistor amplifier, in the active region (linear region) of the   
characteristics is obtained. 

Ø

The goal of amplification, in most cases, is to increase the amplitude of an ac 
Nasim Zafar
6
signal without  distortion or clipping the wave form. 


Transistor Biasing Circuits:
an Introduction

Ø

The selection of a proper DC operating point or quiescent point, generally 
depends on the following factors:

   (a)  The amplitude of the ac signal to be handled by the amplifier and     
distortion level in signal. Applying large ac voltages to the base would  result 
in driving the collector current into saturation or cutoff  regions  resulting in a 

distorted or clipped wave form. 

  (b)  The load to which the amplifier is to work for a corresponding supply 
         voltage.
Nasim Zafar

7


The DC Operating Point:
Biasing and Stability

Ø

The goal of amplification, in most cases, is to increase the amplitude 
of an ac signal without  distortion or clipping the wave form. 

Nasim Zafar

8


Transistor Output  Characteristics:
IC
IB = 40µA

IC

IB = 30µA
IB = 20µA

IB = 10µA
Early voltage

Ø

Nasim Zafar

Cutoff
region

 At a fixed IB, IC is not dependent on VCE
9

VCE


Transistor Output Characteristics: 
 Load Line – Biasing and Stability 
The requirement  is to set the Q­point such that that it does not go into the 
saturation or cutoff  regions when an a ac signal is applied. 

Nasim Zafar

10


The DC Operating Point:
Biasing and Stability

Slope of the Load Line:

VCC  = VCE + VRC 
VCE  = VCC ­­ VRC
VCE  = VCC ­­ IC 
RC

Ic

1
( )VCE
Rc

VCC
RC

Nasim Zafar

11


The DC Operating Point:
Biasing and Stability

Ø

Ø

Load Line drawn on output characteristic curves.
–

Determines quiescent point, Q

–

Q is between saturation and cutoff

Best Q for a linear amplifier:
–

Midway between saturation and cutoff.

Nasim Zafar

12


The DC Operating Point:
Biasing and Stability

For this particular transistor we see that 30 mA of collector current is best for 
maximum amplification, giving equal amount above and below the Q­point. 

Nasim Zafar

13


The DC Operating Point:
Biasing and Stability

Q­Point and Current Gain β dc  
Ø

β dc not a constant

Ø

β dc Dependent on:

Ø

–

Operating Point Q

–

Temperature 

Active region limited by
–

Nasim Zafar

Maximum forward current, IC(MAX)

14


The DC Operating Point:

Biasing and Stability

The DC operating point of a transistor amplifier shifts 
mainly due to changes in the temperature, since the 
transistor parameters:
       — β, ICO and VBE —are  functions of temperature.
Ø

Ø

Ø

  100 < β dc < 300
We will discuss some of the methods used for biasing the 
transistor circuits.
Nasim Zafar

15


Transistor Biasing Circuits.

Nasim Zafar

16


Transistor Biasing Circuits:
 Biasing ­ Circuit Configurations: 

Ø 1. Fixed­Biased Transistor Circuits.
Ø 2. Fixed­Biased with Emitter Resistance Circuits.
Ø 3.  Voltage­Divider­Biased Transistor Circuits.

Nasim Zafar

17


Transistor Biasing Circuits:
Ø

 

Ø

1.  Fixed­Biased Transistor Circuits.
   ­ Highly dependent on βdc 
2.  Fixed­Bias with Emitter Resistance Circuits. 
–

Add emitter resistor

–

Greatly reduces effects of change of β 

–

Equations 

–

highly dependent on 
dc 
NasimβZafar

18


    1. Fixed­Biased Transistor Circuits. 
  

    Single Power Supply

Nasim Zafar

19


DC Voltages and Currents in a BJT:

v

  Active region ­ Amplifier: BJT acts as a signal amplifier.
1.  B­E Junction Forward Biased

C

C

IC

VBE ≈ 0.7 V for Si

2.  B­C Junction Reverse Biased

IC

B

B

IB

IB
E

IE

E

3. KCL:   IE =  IC + IB 
Nasim Zafar

IE

20


1. Fixed­Biased Transistor Circuits:

–

Single Power Supply
21
Nasim Zafar


1. Transistor Fixed­Bias Circuits:
Base–Emitter  Loop:

Collector–Emitter Loop:
VCE  = VCC ­­ IC RL

(a) Fixed­Bias Circuit.      
           (b) Equivalent Circuit.
Nasim Zafar
22


1.  Transistor Fixed­Bias Circuits:
v

Current­Voltage Equations for Fixed­Bias circuits:

VCC − VBE
IB =
RB
IC = β I B
VCE = VCC − I C RC

23
Nasim Zafar


 2.  Fixed­Bias with Emitter Resistance
    Single Power Supply

Nasim Zafar

24


2.  Fixed­Bias with Emitter Resistance:
Ø

 1.  Base­Emitter Loop:

KCL:   IE =  IC + IB 
The emitter current can be written as:

From the above two equation we get:

Fixed­Bias Circuit with Emitter Resistance

Nasim Zafar

25