Lecture Electrical Engineering: Lecture 17 - Dr. Nasim Zafar

COMSATS Institute of Information Technology
Virtual campus
Islamabad

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


DC Analysis of Transistor Circuits­II

Lecture No: 
17


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: 

        Robert T. Paynter. 


Lecture No. 17
DC Analysis of Transistor Circuits­II
Reference:
Chapter 5.4 
Microelectronic Circuits
        Adel S. Sedra and Kenneth C. Smith. 


DC Analysis of Transistor Circuits


Basic Transistor Operation
v

Consider this circuit as two separate 
circuits: 

Ø

The Base­Emitter Circuit

Ø

The Collector­Emitter Circuit 

Ø

Ø

The amount of current flow in the base­
emitter circuit controls the amount of 
current that flows in the collector circuit. 
Small changes in base­emitter current yields 
a large change in collector­current.


DC Analysis of Transistor Circuits
Analysis of this transistor circuit to predict: 
v

DC Voltages and

v

Currents  requires use of :

Ø

Ohm’s law, 

Ø

 Kirchhoff’s voltage law 

Ø

 and the ß for the transistor. 


DC Analysis of Transistor Circuits
v

Kirchhoff’s voltage law: 

Ø

 In the Base Circuit:

 VBB is distributed across 
the base­emitter junction 
and RB
Ø

In the collector circuit:

 We determine that VCC is 
distributed proportionally 
across RC and the transistor, 
VCE.

Transistor Characteristics and Parameters
v

There are three dc voltages and three dc currents to be considered. 

IB: dc base current 
IE: dc emitter current
IC: dc collector current
VBE: dc voltage across 
base­emitter junction
VCB: dc voltage across 
collector­base junction
VCE: dc voltage from 
collector to emitter


BJT­Current and Voltage Analysis

Ø

Ø

  For all circuits: Assume the NPN transistor operates in the linear region:
Ø

  write B­E voltage loop

Ø

  write C­E voltage loop

When the base­emitter junction, in an NPN transistor is forward biased, 

      it is like a forward biased diode and has a forward­voltage drop of: 
      VBE  = 0.7 V

       

NPN


BJT­Current and Voltage Analysis:

Ø

Input Circuit: 
Forward Biased E­
NPN

B Junction.


BJT­Current and Voltage Analysis:
Ø

Output Circuit: Reverse Biased B­C Junction. 

Ø

Using Kirchhoff’s  voltage law, the voltages  in the Output Circuit are: 

VCC  = VCE + VRL 
VCE  = VCC ­­ VRL
The voltage drop across  RL  is: 

VRL   =  IC RL 
The collector voltage is:

RL
 

VCE  = VCC ­­ IC 


DC Voltages for the Biased Transistor
v

v

Collector voltage:
VCE = VCC ­ ICRC
Base voltage:
VBE = VCE – VCB
– IB = (VBB – VBE)/RB
– for silicon transistors, VBE = 0.7 V
– for germanium transistors, VBE = 0.3 V


DC Analysis of Transistor Circuits

v

Transistor Currents:  IE = IC + IB

v

alpha ( DC):  IC =  DCIE

v

beta ( DC):    IC =  DCIB
–

DC typically has a value between 20 and 200


Examples and Exercises: 


DC Analysis of Transistor Circuits
v

v

Q: What is IB, IC, IE and 
also VCE, VCB, VBE ??
A: I don’t know ! But, we 
can find out—IF we 
complete each of the four 
steps required for BJT 

DC analysis.


DC Analysis of Transistor Circuits
Ø

Step 1 – Assume an operating mode.

Let’s assume the BJT is in the linear region !  Remember, 
this is just a guess; we have no way of  knowing for sure what 
mode the BJT is in at this point.
Ø

Step 2 ­ Enforce the conditions of the assumed mode.

Ø

Step 3 – ANALYZE the circuit.

Ø

Step 4 ­“Write KVL equations for the base­emitter “leg”.


Modes of BJT Operation:
IC(mA) 

Saturation Region 
IB = 200  A  

30 

Active Region 

IB = 150  A  

22.5 

IB = 100  A  

15 

IB = 50  A 

7.5 

Cutoff Region 

IB = 0 

0 
 0 

 5 

10 

15 

Ø

 Active:  BJT acts like an amplifier (most common use).

Ø

 Saturation:  BJT acts like a short circuit. 

Ø

Nasim Zafar
Cutoff:  BJT acts like an open circuit.

20 

18

VCE  (V) 


Transistor Characteristics and Parameters 
The Cutoff Region 
With no IB the transistor is in the cutoff region and just as the name 
implies there is practically no current flow in the collector part of the 
circuit. With the transistor in a cutoff state the full VCC can be 
measured across the collector and emitter(VCE)


Example 5.4 ­ Figure 5.34
v

Consider the circuit shown in Fig. 5.34(a), which is redrawn in 
Fig. 5.34(b) 


Example 5.4

v

Ø
Ø
Ø

Ø

Example: 5.4
We wish to analyze this circuit to determine:
 all node voltages 
and branch currents. 
We will assume that β is specified to be 100.


Example 5.4 ­ Figure 5.34


Solution ­ Example 5.4 


Solution ­ Example 5.4 
v
v

Ø

Ø

Ø

Input Circuit: Forward Biased E­B Junction:
Step 1: 
The circuit in Fig. 5.34(b) shows that the base is 
connected to +4 V and the emitter is connected to ground 
through a resistance RE. 
The base–emitter junction will be forward biased. 
Since the emitter is grounded, by Kirchhoff’s  voltage 
law, the voltages in the input circuit are: 


Solution ­ Example 5.4 

Ø

Ø
Ø

Assuming that VBE is approximately 0.7 V, it follows that the emitter 
voltage will be: 

Step 2:
We know the voltages at the two ends of RE and thus can determine the 
current IE through it,