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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 CH5 Bipolar Amplifiers 6 Impedance at a Node 입출력 임피던스를 한 port에서 계산할 때, 보통 한 단자를 Ground 시키고, 다른 단자에 test source를 가함 CH5 Bipolar Amplifiers 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). CH5 Bipolar Amplifiers 8 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). CH5 Bipolar Amplifiers 9 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) CH5 Bipolar Amplifiers 10 5.1.2 Biasing of BJT Transistor와 회로는 bias되어야 함: (1) transistor는 active 영역에서 동작해야 하고, (2) 소신호 parameter는 bias 조건에 좌우되므로 CH5 Bipolar Amplifiers 11 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 CH5 Bipolar Amplifiers 12 Notation Simplification 지금부터, 회로에 전력을 공급하는 배터리는 수평 bar로 대체하고 Vcc로 칭함 입력신호는 Vin이라고 한 node에 표현 CH5 Bipolar Amplifiers 13 5.2 Operating point analysis and design 14 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 CH5 Bipolar Amplifiers 15 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 CH5 Bipolar Amplifiers 16 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 CH5 Bipolar Amplifiers 17 VBE와 IC의 관계 VBE와 IC의 관계식: 회로 관계식 = 물리적 특성 해답을 쉽게 찾기 위하여 초기 VBE를 가정 18 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 19 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 CH5 Bipolar Amplifiers 20 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? CH5 Bipolar Amplifiers 22 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 24 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 CH5 Bipolar Amplifiers 25 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 27 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 29 Self-Biasing Technique 이 bias 기술은 Vx와 IB를 제공하기 위한 collector 전압을 공급 중요한 특징은 collector가 base 보다 높은 전위이며, transistor가 active 모드에서 동작 CH5 Bipolar Amplifiers 30 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 31 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 32 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 33 PNP Biasing Techniques NPN biasing에 적용된 원리가 PNP biasing에도 극성만 반전 시킨 채 그대로 적용됨 CH5 Bipolar Amplifiers 34 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 36 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 38 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 CH5 Bipolar Amplifiers 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 CH5 Bipolar Amplifiers 42 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 CH5 Bipolar Amplifiers 43 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. CH5 Bipolar Amplifiers 45 CE Stage Trade-offs CH5 Bipolar Amplifiers 46 Ex 5.20) CE의 전압이득 Rin r / g m , Rout RC Av g m RC Rout Rin 47 Inclusion of Early Effect Av g m ( RC || rO ) Rout RC || rO Early 효과는 CE 증폭기의 이득을 감소시키고 RC 와 병렬이 됨 CH5 Bipolar Amplifiers 48 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 CH5 Bipolar Amplifiers 50 Current Gain iout AI iin AI CE 증폭기의 다른 parameter는 전류이득이며 이는 입력전류와 부하로 전달된 전류의 비 CE stage에서는, 전류이득 = CH5 Bipolar Amplifiers 51 Emitter Degeneration Emitter에 직렬로 저항을 설치하여, CE stage를 “degenerate” 함 이 구조는 증폭기 이득을 줄이지만 다른 특성을 개선함 선형성 및 입력 임피던스 CH5 Bipolar Amplifiers 52 Small-Signal Model g m RC Av 1 g m RE Av RC 1 RE gm 이득 = 전체 부하저항/(1/gm + Emitter 저항) CH5 Bipolar Amplifiers 53