Lecture Electrical Engineering: Lecture 19 - Dr. Nasim Zafar

COMSATS Institute of Information Technology
Virtual campus
Islamabad

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


Potential­Divider­Biasing Circuits:

Lecture No: 
19
Examples and Exercises. 

. 

Nasim Zafar

2


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

Ø

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

Ø  Introductory Electronic Devices and Circuits
      Robert T. Paynter

Ø

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

3


Basic Circuits of BJT: 
NPN Transistor

IE = IC + IB
Nasim Zafar

4


Transistor Output Characteristics: 
 

Nasim Zafar

5


Transistor Output Characteristics: 

Load Line – Biasing and Stability: 
Ø

Active region:
–
–

Ø

Ø

Ø

BJT acts as a signal amplifier.
B­E junction is forward biased and C­B junction is reverse biased.

Graphical construction for determining the dc collector current IC and the 
collector­to­emitter voltage VCE .  
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. 
Maximum signal swing depends on the bias voltage.
Nasim Zafar

6


The DC Operating Point:
Biasing and Stability

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

7


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

8


Current Equations in a BJT:

NPN Transistor

Ø

Ø

Ø

 Collector Current 

iC
iB

 Base Current
 Emitter Current

iE

Nasim Zafar

In

I se

iC

Is

iC

Is

v BE

e

v BE

e

9

VT

VT

v BE

VT

9


  
1.  Fixed­Biased Transistor Circuits. 

   Base­Biased (Fixed Bias) Transistor Circuit: 
    Single Power Supply

Nasim Zafar

10


Base­Biased (Fixed Bias) Transistor Circuit: 
Circuit Characteristics ­ 1: 

VCC

IC

RC

RB

Circuit Recognition: A single resistor RB 
between the base terminal and VCC.  No emitter 
resistor.

Output

IB
Input

Q1
+0.7 V
VBE

Advantage: Circuit simplicity.
Disadvantage: Q­point shifts with temp.

IE

Applications: Switching circuits only.

Nasim Zafar

11


VCC

Load line equations:

VCC
I C (sat ) ≅
RC
Base­Biased (Fixed Bias) Transistor Circuit: 
IC

RC

RB

    Circuit Characteristics ­ 2: 
Output
Q­point equations:

IB
Input

Q1
+0.7 V
VBE

VCE (off ) = VCC

IE

VCC − VBE
IB =
RB
I C = hFE I B
VCE = VCC − I C RC

Nasim Zafar

12


Base­Biased (Fixed Bias) Transistor Circuit:
Q­point equations:

VCC

1.  Base–Emitter  Loop:

VCC  = VBE + IB RB
IC

RC

RB

Output

IB
Input

Q1
+0.7 V
VBE

VCC − VBE
IB =
RB

I C = βI B

IE

Nasim Zafar

13


Base­Biased (Fixed Bias) Transistor Circuit:
2.  Collector–Emitter  Loop:

VCC

VCC  = VCE + 
IC

VRC 
 VCE  = VCC ­ IC R

RC

RB

Output

IB
Input

Q1
+0.7 V
VBE

IE

Nasim Zafar

I C = βI B
β = dc current gain = hFE

14

Circuit 19.1; Example 19.1
+8 V

IC

RB
360 k

VCC − 0.7V 8V − 0.7V
IB =
=
RB
360kΩ
RC
2k

hFE = 100

VBE

I C = hFE I B = ( 100 ) ( 20.28μA )
= 2.028mA

IB

+0.7 V

= 20.28μA

IE

Nasim Zafar

VCE = VCC − I C RC

= 8V − ( 2.028mA ) ( 2kΩ)
= 3.94V

15


Example 19.2
Construct the DC Load line for circuit 19.1; shown in slide 12, and 
plot the Q­point from the values obtained in Example 19.1.  
Determine whether the circuit is midpoint biased.

I C (mA)

I C (sat )

4

VCC
8V
=
=
= 4mA
RC 2kΩ

VCE ( off ) = VCC = 8V

3
Q

2

The circuit is midpoint biased.

1
2

4

6

8

10

Nasim Zafar

VCE (V)
16


Example 19.3 (Q­point Shift.)
The transistor of Circuit 19.1, has values of hFE = 100 when T = 25 °C and 
hFE = 150 when T = 100 °C.  Determine the Q­point values of IC and VCE 
at both of these temperatures.
+8 V

I
RB C
360 k
IB

+0.7 V
VBE

Temp(°C)

IB (mA)

IC (mA)

VCE (V)

25

20.28

2.028

3.94

100

20.28

3.04

1.92

RC
2k

hFE = 100 (T = 25 C)
hFE = 150 (T = 100 C)
IE

Nasim Zafar

17


3.  

2.  Voltage­Divider­Bias Circuits.

Nasim Zafar

18


Voltage­Divider Bias Circuits:
NPN Transistor.

Ø

Ø

Voltage­divider biasing is the most 
common form of transistor biasing 
used. A thorough understanding of 
the dc analysis of this circuit is 
essential for an electronic 
technician.
In the Circuit, R1 and R2 set up a 
voltage divider on the base. Notice 
the similarity to the emitter­biased 
circuit.

Nasim Zafar

19


Voltage­Divider Bias Characteristics­(1)
+VCC

I1

R1

IC

RC

IB

R2

Advantages: The circuit Q­
point values are stable against 
changes in hFE.
Output Disadvantages: Requires more 
components than most other 
biasing circuits.

Input
I2

Circuit Recognition: The 
voltage divider in the base 
circuit.

IE

RE

Nasim Zafar

Applications: Used primarily to 
bias linear amplifier.

20


Voltage­Divider Bias Characteristics­(2)
+VCC

I1

R1

IC

The Thevenin voltage:

RC

IB

Output

Input
I2

R2

IE

RE

Nasim Zafar

21


Voltage­Divider Bias Characteristics­(3)
+VCC

Load line equations:
VCC
I C (sat) =
RC + RE

VCE (off ) = VCC
I1

R1

IC

RC

IB

Q­point equations (assume 
that hFERE > 10R2):
Output

VB = VCC

R2
R1 + R2

VE = VB − 0.7V

Input
I2

R2

IE

RE

I CQ ≅ I E =

VE
RE

VCEQ = VCC − I CQ ( RC + RE )
Nasim Zafar

22


Circuit 19.2; Example 19.4 (a).
Determine the values of ICQ and VCEQ for the circuit 19.2 shown in Fig below: 
+10 V

VB = VCC

R2
R1 + R2

4.7kΩ
= 2.07V
22.7kΩ

VE = VB − 0.7V
= 2.07V − 0.7V = 1.37V
= ( 10V )

I1

R1
18 k

IC

RC
3k

IB

Because ICQ @ IE (or hFE >> 1),
hFE = 50

I2

R2
4.7 k

IE

RE
1.1 k
Nasim Zafar

I CQ ≅

VE 1.37V
=
= 1.25mA
RE 1.1kΩ

VCEQ = VCC − I CQ ( RC + RE )
= 10V − ( 1.25mA ) ( 4.1kΩ) = 4.87V
23


Circuit 19.2; Example 19.4 (b).
Verify that I2 > 10 IB.
+10 V

I1

R1
18 k

IC

RC
3k

IB
hFE = 50
I2

R2
4.7 k

IE

VB 2.07V
I2 =
=
= 440.4μA
R2 4.7kΩ

IE
1.25mA
IB =
=
hFE + 1
50+1
= 24.51μA

∴ I 2 > 10 I B

RE
1.1 k
Nasim Zafar

24


Example 19.5
A voltage­divider bias circuit has the following values: R1 = 1.5 kW, R2 = 680 

W, RC = 260 W, RE = 240 W and VCC = 10 V.  Assuming the transistor is a 
2N3904, determine the value of IB for the circuit.

VB = VCC

R2
680Ω
= ( 10V )
= 3.12V
R1 + R2
2180Ω

VE = VB − 0.7V = 3.12V − 0.7V = 2.42V
ICQ ≅ I E =

VE 2.42V
=
= 10mA
RE 240Ω

hFE ( ave ) = hFE (min) hFE (max) = 100 300 = 173
IB =

IE

10mA
= 57.5μA
hFE (ave) + 1 174
=

Nasim Zafar

25