Lecture Electrical Engineering: Lecture 21 - Dr. Nasim Zafar

COMSATS Institute of Information Technology
Virtual campus
Islamabad

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


BJT as an Amplifier.

Small­Signal Operation and Equivalent Circuits: 

Lecture No. 
21
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

Nasim Zafar

Electronic Devices :

3


Lecture No. 21
Reference:

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

Nasim Zafar

4


Introduction

Common­Emitter Characteristics­I:
Ø

Ø

We had discussed Common Emitter Current­Voltage 

characteristic curves extensively to understand:
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
Nasim Zafar
5


Introduction

Common­Emitter Characteristics­II:

Ø

Ø

Ø

Ø

Once these basics are understood we will understand:
How we can replace the transistor by a small ac­signal 

equivalent circuit.
How to derive a simple ac equivalent circuit from the 
characteristic curves.
Some of the limitations of our simple equivalent circuit.
Nasim Zafar

6


The Common­Emitter Amplifier Circuit: 

Nasim Zafar

7


Common­Emitter Amplifier Circuit:
Ø

Ø

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

Nasim Zafar

8

Characteristic Curves with DC Load Line:

Ø
Ø

Active Region:

Q­point, and current gain.

Ø

Point A corresponds to the positive peak. 

Ø

Point B corresponds to the negative peak.  
Nasim Zafar

9


Summary

Common Emitter Amplifiers:
q

 In Cut­off:
–

q

 In Saturation:
–

q

All currents are zero and VCE = VCC
IB big enough to produce IC(sat)   βIB

Using Kirchhoff’s Voltage Law through the ground 
loop:
–

VCC = VCE(sat) + IC(sat)RC

–

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

–

IC(sat)  VCC/RC
Nasim Zafar

10


Small Signal Operation:

q

The Amplifier Circuits are Biased Such That:

 
Ø

Ø

Ø

Transistor amplifier is biased at its Q­Point.
and a small voltage signal vi is superimposed on the dc 
bias voltage VBE.
The resulting output signal vo appears superimposed on 
the dc collector voltage VCE  .
Nasim Zafar

11


Small Signal Operation:

The signal source vbe removed
for dc­bias­analysis.

Nasim Zafar

12

Small Signal Operation:
Ø

The amplifier output voltage vo (bias + signal) and  output 
current iC is given by:

  =
Nasim Zafar

13


Small Signal Operation:
Ø

Thus the total output voltage vo is given by:

Nasim Zafar

14


Small Signal Operation:

The Signal Source, vbe, removed for DC Bias Conditions

IC

I S eVBE / VT

IE

IC /

IB

IC /

VCE

VCC

Nasim Zafar

I C RC
15


Amplifier Gain:
 
Ø

If changes in the operating currents and voltages are small, 

then IC and VCE waveforms are undistorted replicas of the 
input signal.
A small voltage change at the base causes a large voltage 
change at the collector. The voltage gain is given by:
o
i

Ø

v (t )

Ø

Av (t )

“A” is the amplifier gain.

Nasim Zafar

16


Voltage Amplifiers:
Common Base PNP ­ with an ac Signal
Ø

Voltage amplification can be obtained simply by passing the collector 
current IC  through a resistance RC. 

The biasing of the junctions are:

              BE is forward biased by VBB ­ thus a small resistance
                          BC is reverse biased by VCC – and a large resistance
Since IB is small,  IC   IE
Nasim Zafar

17

Voltage Amplifiers:

Common Base PNP ­ with an ac Signal

rE = internal ac emitter
        resistance
IE = Vin/rE  (Ohm’s Law)
VOut = ICRC   
IERC
Vout
AV  voltage gain
Vin

AV

I E RC
I E rE

RC
rE

,    Since IB is small, IC   IE

Recall the name – transfer resistor.
Nasim Zafar

18

Operating Limits:
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

Nasim Zafar

19


Operating Limits­Example:
Assume  PD(max) = 0.5 W
                  VCE(max) = 20 V
                  IC(max) = 50 mA

Nasim Zafar

PD(ma VC
x)
E
0.5 W

 IC

5 V 100 mA
10

50

15

33

20

25

20


The Collector Current and Transconductance: 
Ø

Ø

Ø

Transconductance, for a bipolar device, is defined as the ratio 
of the change in collector current to the change in base 
voltage over a defined, arbitrarily small interval, on the 
collector current­versus­base voltage curve. 
The symbol for transconductance is gm. The unit is 
thesiemens, the same unit that is used for direct­current (DC) 
conductance. 
The transconductance (gm) of a transistor is a measure of 
how well it converts a voltage signal into a current signal.


Transconductance, gm

Ø

Ø

 

It will be shown later that gm is one of the most important 
parameters in integrated circuit design. 
If dI represents a change in collector current caused by a 
small change in base voltage dE, then the transconductance 
is approximately:

gm = dI / dE


BJT Transconductance Curve:
NPN Transistor 

Collector Current:
v
 IC =   IES eVBE/ VT     

IC

Transconductance: 
(slope of  the curve)
v
 gm =    IC / VBE
 
IES = The reverse saturation current   
         of the B­E Junction.

8 mA
6 mA
4 mA

VT = kT/q = 26 mV (@ T=300oK)
  = the emission coefficient and is         
       usually ~1

2 mA

0.7 V
Nasim Zafar

VB
E

23


IC and gm
Since : vBE

vbe

I S e vBE / VT

Then : iC
I S e (VBE

VBE

vbe ) / VT

I S eVBE / VT e vbe / VT
I C e vbe / VT
For vbe
Then : iC

VT  (which is realistic) :
vbe
IC 1
VT
Nasim Zafar

Observe: We arrive at this by 
expressing ex as a Taylor 

Series and truncating it after 
the 2nd term.
24


Transconductance, gm

gm

dI C
dVBE

gm

1
VBE
I S exp
VT
VT

gm

IC
VT

d
VBE
I S exp
dVBE
VT