Transcript Ch05_1
Chapter 5
Bipolar Amplifiers
5.1 General Considerations
5.2 Operating Point Analysis and Design
5.3 Bipolar Amplifier Topologies
5.4 Summary and Additional Examples
1
Bipolar Amplifiers
CH5 Bipolar Amplifiers
2
Ex 5.1) Voltage Amplifier
이상적인 전압증폭기에서는, 입력 임피던스는 ∞, 출력 임피던스는
0임.
그러나 실제로는, 입출력 임피던스는 이상적인 값에서 벗어남
CH5 Bipolar Amplifiers
3
증폭기의 입력 임피던스가 2 kΩ 또는 500 Ω 일 때 증폭기가
감지하는 신호 level?
Rin
v1
vm
Rin Rm
출력 임피던스가 10 Ω 또는 2 Ω 일 때, speaker 로 전달되는 신호
level?
vout
Ramp
RL Ramp
vamp
4
Input/Output Impedances
Vx
Rx
ix
입력 및 출력 임피던스를 측정하는 방법
모든 독립적인 source = 0으로 놓아야 함
CH5 Bipolar Amplifiers
5
Ex 5.2) Input Impedance
vx
r
ix
입출력 임피던스를 계산할 때, 소신호 해석을 가정함
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6
Impedance at a Node
입출력 임피던스를 한 port에서 계산할 때, 보통 한 단자를
Ground 시키고, 다른 단자에 test source를 가함
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7
Ex 5.3) Impedance at Collector
Rout ro
Early effect를 고려하면, collector에서 본 임피던스는
transistor의 intrinsic 출력 impedance와 같다 (emitter가
ground 되어 있다고 가정하면).
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Ex 5.4) Impedance at Emitter
vx
1
ix g 1
m
r
1
Rout
gm
(V A )
Transistor의 emitter에서 본 임피던스는 1/gm (base는
grounded).
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Three Master Rules of Transistor Impedances
Rule # 1: base로 보면, impedance = r (emitter는 (ac)
grounded)
Rule # 2: collector로 보면, impedance = ro (emitter는 (ac)
grounded)
Rule # 3: emitter로 보면, impedance = 1/gm (base는 (ac)
grounded, Early effect는 무시)
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5.1.2 Biasing of BJT
Transistor와 회로는 bias되어야 함: (1) transistor는 active
영역에서 동작해야 하고, (2) 소신호 parameter는 bias 조건에
좌우되므로
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5.1.3 DC Analysis vs. Small-Signal Analysis
우선, 동작점 결정 및 소신호 Parameter를 얻기 위하여 DC 해석
수행
두 번째, source는 0으로 설정하고 소신호 해석 전압 이득 및
입출력 임피던스 계산
소신호와 대신호의 구분: 보통 대신호의 10% 보다 작으면
소신호로 취급
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Notation Simplification
지금부터, 회로에 전력을 공급하는 배터리는 수평 bar로 대체하고
Vcc로 칭함
입력신호는 Vin이라고 한 node에 표현
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5.2 Operating point analysis and design
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Ex 5.5) Bad Biasing
Vin 20mV
VBE
I C I S exp
1.29 1015 A
VT
RC I C 1.29 1012V
Microphone은 출력 소신호를 증폭하기 위하여 증폭기에 연결함
불행히도, transconductance를 설정하기 위한 transistor를
통과하는 DC bias 전류는 없음
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Ex 5.6) Bad Biasing
증폭기의 base를 VCC에 연결하여 DC bias를 설정하려 함
불행히도, microphone이 만드는 신호는 전원전압에 short
됨으로써 마이크가 만드는 어떠한 전압변동도 안 생김. 증폭이
안됨
VBE = VCC이므로 Transistor로 들어가는 전류 매우 큼
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5.2.1 Biasing with Base Resistor
VCC VBE
VCC VBE
IB
, IC
RB
RB
VCE VCC I C RC
VCC
VCC VBE
RC
RB
For active mode
VCC
VCC VBE
RC VBE
RB
VBE가 일정한 값이라 가정하면 IB와 IC 에 대하여 풀 수 있고,
transistor의 단자 전압을 결정할 수 있음
그러나, 동작점 (bias point)은 변동에 민감함
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VBE와 IC의 관계
VBE와 IC의 관계식: 회로 관계식 = 물리적 특성
해답을 쉽게 찾기 위하여 초기 VBE를 가정
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Ex 5.7
β = 100, IS = 10-17 A
VCC VBE
IB
17 A I C 1.7mA
RB
New value of VBE
IC
VBE VT ln 852mV
IS
VCC VBE
IB
16.5 A I C 1.65mA
RB
VCE VCC I C RC 0.85V
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5.2.2 Improved Biasing: Resistive Divider
R2
VX
VCC
R1 R2
R2 VCC
I C I S exp(
)
R1 R2 VT
VBE를 설정하려 저항 divider를 사용하면, 에 상대적으로
독립적인 IC 를 제공하는 것이 가능함 (base 매우 전류가 작다면).
IB는 작게
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Ex 5.8)
Base 전류
무시하면
R2
VX
VCC
R1 R2
VBE
I C I S exp
VT
IB
??
VCC
I B
R1 R2
과연 IB는 무시 가능할까요? 무시 조건?
VCE = 1.345 V Active 영역?
21
Accounting for Base Current
IB가 무시 못할 만큼 크면 어떻게 해야 할까요?
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VThev
R2
VCC
R1 R2
RThev R1 || R2
VX VThev I B RThev
VThev VBE
IC
RThev
VThev I B RThev
I C I S exp
VT
VBE 가정 IC VBE …
회로 관계식과 Transistor 특성 식을 둘 다 만족하게끔
23
Ex 5.9
VThev
R2
VCC ?
R1 R2
RThev R1 || R2 ?
VBE = 0.75V라 초기 가정
VThev VBE
IB
?
RThev
IC I B ?
IC
VBE VT ln ?
IS
R1과 R2를 적당한 비율로 만들면, IC 는 에 둔감하게 됨; 그러나,
저항 편이에 따른 지수관계가 이 구조를 덜 유용하게 만듦
R2의 1% 변동 VX 1% 변동 IC는 36% 변동
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5.2.3 Emitter Degeneration Biasing
RE 가 VX의 오차를 흡수하도록 하며 VBE 는 상대적으로 일정하게
됨
이러한 bias 기술은 및 (I1 >> IB) VBE 변동에 덜 민감함
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VP
IE
RE
1
R2
VCC
VBE
RE
R1 R2
IC
VRE가 크면 VX와 VBE의 변동에 둔감함
26
Ex 5.10
R2
VX
VCC ?
R1 R2
IC
VBE VT ln ?
IS
VBE 0.8V
VP VX VBE ?
VY VCC IC RC ?
I E I C 1mA
IB를 무시한 것은 정당할까요?
IC ≈ 1mA, IB ≈ 10μA, IR1+R2 = 100 μA
R2가 1.6% 증가 VX = 909 mV IE ≈ 최대 90 μA 증가: 9%
증가
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Ex 5.11 최대 RC는?
gm = 1/52 IC = ? VBE = ?
VRE = 0.2V라 가정 RE = 400 Ω
Base 전류 무시하면
R2
VCC VBE I C RE
R1 R2
VCC
I B R1 R2 50k
R1 R2
VCC IC RC VX IC RC 1.522 RC 3.044k
I1 >> IB이면 R1 + R2가 작아야 낮은 입력 임피던스
VRE를 크게 하면 VX가 커지고 최소 VC가 계속 증가함
28
Design Procedure
필요한 소신호 parameter (gm, r 등)를 제공하는 IC
를 선택.
R1, R2, 및 VBE의 변동을 고려하여 VRE 를 선택
VRE 를 선택 한 후, VBE 계산 Vx 결정
Vx를 제공하기 위한 R1과 R2 결정
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Self-Biasing Technique
이 bias 기술은 Vx와 IB를 제공하기 위한 collector 전압을 공급
중요한 특징은 collector가 base 보다 높은 전위이며,
transistor가 active 모드에서 동작
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IB << IC라고 가정
VY VCC I C RC
I C RB
VY I B RB VBE
VBE
VCC VBE
IC
RB
RC
• VCC – VBE >> VBE 변동
• β 둔감도 RC >>
RB/β
VBE의 초기 추측값 IC 계산 VBE = VT ln(IC/IS)로 반복계산
필요
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Self-Biasing Design Guidelines
(1)
RC
RB
(2) VBE VCC VBE
RC = 10RB/β로 하면
CH5 Bipolar Amplifiers
VCC VBE
IC
1.1RC
VCC VBE
RC
RC
, RB
1.1I C
10
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Summary of Biasing Techniques
IC
IC
VCC VBE
RB
I C I S exp(
IC
CH5 Bipolar Amplifiers
1
R2
V
V
CC
BE
RE
R1 R2
R2 VCC
) IB<<I1
R1 R2 VT
VThev VBE
RThev
IB 꽤큼
VCC VBE
IC
RB
RC
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PNP Biasing Techniques
NPN biasing에 적용된 원리가 PNP biasing에도 극성만 반전
시킨 채 그대로 적용됨
CH5 Bipolar Amplifiers
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Ex 5.15) 최대 허용 RC?
I B RB VEB VCC I C RC ,max VCC VEB
VCC VEB
IB
RB
VCC VEB
IC
RB
RC ,max
VCC VEB
IC
RB
35
Ex 5.16) IC = ?
VThev ?
IB << I1이면
RThev ?
VThev I B RThev VEB VCC V V R2
EB
CC
R1 R2
VCC VThev VEB
IB
R2 VCC
RThev
I C I S exp
R
R
V
1 2 T
R2
VCC
VEB
R1 R2
RThev
R2
VCC
VEB
R1 R2
IC
RThev
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Ex 5.17) 최대 RC = ?
I B I1 가정
VX VCC R1 /( R1 R2 )
VX VEB I E RE VCC
1 R2
IE
VCC VEB
RE R1 R2
R1
VCC
I C RC ,max
R1 R2
RC ,max
R2
VEB
VCC
RE
R1 R2
RC ,max
R1
REVCC
R1 R2 V
CC
1
R2
VEB
R1 R2
37
Ex 5.18) Self-biased PNP 회로
VX I B RB VY I B RB I C RC
VCC VEB VX
VEB I B RB I C RC
RB
VEB RC I C
VCC VEB
IC
RB
RC
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5.3 Possible Bipolar Amplifier Topologies
입력을 증폭기에 적용하기 위한 3개의 가능한 방법 및 출력을
감지하기 위한 3개의 가능한 방법
그러나 실제로는 단지 9개의 입출력 조합 중 3개만 유용함
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39
5.3.1 Common-Emitter Topology
Analysis of CE Core
Inclusion of Early Effect
Emitter Degeneration
Inclusion of Early Effect
CE Stage with Biasing
40
Common-Emitter Topology
CH5 Bipolar Amplifiers
41
Small Signal of CE Amplifier
vout
Av
vin
vout
g mv g mvin
RC
Av g m RC
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Limitation on CE Voltage Gain
I C RC
Av
VT
VRC
Av
VT
VCC VBE
Av
VT
gm = IC/VT이므로 CE 전압이득 = VRC/VT
VRC는 VCC와 VCE의 전위차이고, active 영역에 있기 위해서는
VCE > VBE 이어야 함
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Ex 5.19) Tradeoff between Voltage Gain and
Headroom
CH5 Bipolar Amplifiers
44
I/O Impedances of CE Stage
vX
Rin r
iX
vX
Rout
RC
iX
출력 임피던스를 측정하는 경우, 입력 port 는 grounded Vin =
0.
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45
CE Stage Trade-offs
CH5 Bipolar Amplifiers
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Ex 5.20) CE의 전압이득
Rin r / g m , Rout RC
Av g m RC
Rout
Rin
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Inclusion of Early Effect
Av g m ( RC || rO )
Rout RC || rO
Early 효과는 CE 증폭기의 이득을 감소시키고 RC 와 병렬이 됨
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Ex 5.21) 소신호 이득 및 입출력 임피던스
IC
g m 1/ 26
VT
VA
rO 10k
IC
Av g m ( RC || rO ) 35
Rin r
2.6k
gm
Rout RC || rO 910
49
Intrinsic Gain
Av g m rO
VA
Av
VT
RC ∞이면, 전압이득은 gm x rO가 되며 이는 증폭기가 낼 수
있는 최대 이득임.
intrinsic gain은 bias 전류와 무관함
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50
Current Gain
iout
AI
iin
AI
CE
증폭기의 다른 parameter는 전류이득이며 이는 입력전류와
부하로 전달된 전류의 비
CE stage에서는, 전류이득 =
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51
Emitter Degeneration
Emitter에 직렬로 저항을 설치하여, CE stage를 “degenerate”
함
이 구조는 증폭기 이득을 줄이지만 다른 특성을 개선함 선형성
및 입력 임피던스
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Small-Signal Model
g m RC
Av
1 g m RE
Av
RC
1
RE
gm
이득 = 전체 부하저항/(1/gm + Emitter 저항)
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