Lecture Electrical Engineering: Lecture 20 - Dr. Nasim Zafar

COMSATS Institute of Information Technology
Virtual campus
Islamabad

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


Transistor as an Amplifier Circuit:

Lecture No: 
20
. 

Nasim Zafar

2


Amplifier Gain:

Ø

•
•

Ø
Ø

 Amplifiers are 2­port  networks:

input port
output port
 A is called the amplifier gain.
 If the gain is constant, we call this a linear amplifier.

Nasim Zafar

3


Transistor Specifications:

Ø

Maximum collector current, IC .

Ø

Maximum power dissipated, PD  

Ø

PD = IC * VCE 

Nasim Zafar

4


Transistor Specifications:

Ø

Minimum C­E voltage for breakdown, V(BR)CEO

Ø

Carefully examine absolute max ratings.

Ø

DC current gain
–

variable

–

β = hFE in specs.
Nasim Zafar

5


Amplifier Gain in Decibels:
Ø

Amplifier gain is expressed in decibels (dB)
–

Ø

Ø

Originally it was expressed as “Bels” (named after 
Alexander Graham Bell), but these proved to be of 
insufficient size so we multiply “Bels” by 10   
“decibels.”

Decibels are a log­based ratio and are therefore 
dimensionless.
Purpose: We want to measure the ratio of some value 
relative to another (e.g. sound power in a stereo amplifier).

Derivation of dB…(Cont.)

Nasim Zafar

6


Derivation of Decibels (Contd.):
Ø

Ratio of power of interest (call it “p1”) to some other reference 
power (say, p2):

p1
p2

Ø

However, these values are generally quite huge and tend to be 
logarithmically related; thus, creation of “the Bel:”

p1
Bel = log
p2
Nasim Zafar

7


Derivation of Decibels (Contd.):

•

•

However, the Bel is a bit too small, so let’s multiply it by 
10 and call it a decibel (10 x Bel = 1 dB).

Which gives us the decibel expression for power:

decibel power

p1
= 10 log
p2

Nasim Zafar

8


Exercise: dB for Voltage:
First, let’s relate voltage to power:

p = vi
i = v/r
p=v r
2

Nasim Zafar

9


Exercise: dB for Voltage:
Upon substitution:
2

�v r �
�v �
�v1 �
10 log �
�= 10 log � �= 10 log � �
�v r �
�v �
�v2 �

2
1
2
2

2
1
2
2

Which gives us the decibel expression for voltage:

decibelvoltage

�v1 �
= 20 log � �
�v2 �

Nasim Zafar

10


Some Physical Conclusions:

Ø

If dB is positive, then  v1 > v2,   the signal is amplified.

Ø

If dB is negative, then v1 < v2,   the signal is attenuated.

Ø

If dB is 0, then v1 = v2.

Nasim Zafar

11


BJT Transistor Amplifiers:


Common­Emitter Amplifiers:
Ø

Ø

 The common­emitter amplifier exhibits high voltage and 
current gain. 
The output signal is 180º out of phase with the input.


Common­Emitter Amplifiers:

Transistor Biasing as an Amplifier Circuit:
 

Ø

For this discussion, we consider DC behaviour and 
assume that we are working in the normal linear 
amplifier region with the:
BE junction forward biased and
        CB junction reverse biased.

Nasim Zafar

14


Common­Emitter Characteristics:

Ø

Treating the transistor as a current node:

Also:

IE

IC IB

IC α IE   Ico

Nasim Zafar

15

Common­Emitter Characteristics:
Hence:

IC

α ΙC IB) ICO

which after some rearrangement gives:

IC

IB
Nasim Zafar

 

ICO
1­ α
16


Common­Emitter Characteristics:
Define a common emitter current­transfer ratio  :

Such that:

β

α
1 α

IC βIB
Nasim Zafar

ICO
1­ α
17


Common­Emitter Characteristics:

Ø

Ø

Since reverse saturation current is negligible the second term 
on the right hand side of this equation can usually be neglected 
(even though (1­ α)  is small)
Thus

IC βIB
Nasim Zafar

18


Gain Factors­Summary:

IC
IE

Usually given for common base amplifier

IC
IB

Usually given for common emitter amplifier

IE
IB

Usually given for common collector amplifier

Nasim Zafar

19


The Common­Emitter Amplifiers:

Transistor Biasing as an Amplifier Circuit:
Ø  B­E junction forward biased.

VBE ≈ 0.7 V for Si
Ø  C­B junction reverse biased.

 
Ø

 KCL: IE = IC + IB 

Nasim Zafar

20


Transistor Biasing as an Amplifier Circuit:

Ø

 The purpose of dc biasing is to establish the Q­point for operation.

 
Ø

Ø

The collector curves and load lines help us to relate the Q­point and its 
proximity to cutoff and saturation. 
The Q­point is best established where the signal variations do not cause 
the transistor to go into saturation or cutoff. 

 
Ø

What we are most interested in is, the ac signal itself. Since the dc part 
of the overall signal is filtered out in most cases, we can view a 
transistor circuit in terms of just its ac  component.

Characteristic Curves with DC Load Line:

Ø

Drawn on the output characteristic curves.

Ø

Component values in a bias circuit.

Ø

–

Determine quiescent point, Q

–

Q is between saturation and cutoff

Best Q for a linear amplifier.
–

Midway between saturation and cutoff
Nasim Zafar

22

Characteristic Curves with DC Load Line:

Ø

Active Region:

Ø

Q­point, and current gain.

Nasim Zafar

23


Common Emitter Characteristics­Summary:

Ø

βdc not constant

Ø

βdc dependent on dc operating point

Ø

Quiescent point = operating point

Ø

Active region limited by
–

Maximum forward current, IC(MAX)

–

Maximum power dissipation, PD
Nasim Zafar

24


Transistor Amplifier Basics:

Ø

We will use a capital (upper case) letter for a DC quantity 

     (e.g. I, V).

Ø

We will use a lower case letter for a time varying (a.c.) 
quantity (e.g. i, v)

Nasim Zafar

25