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
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 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
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5
Ex 5.2) Input Impedance
vx
 r
ix
 입출력 임피던스를 계산할 때, 소신호 해석을 가정함
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Impedance at a Node
 입출력 임피던스를 한 port에서 계산할 때, 보통 한 단자를
Ground 시키고, 다른 단자에 test source를 가함
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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  1015 A
VT
RC I C  1.29  1012V
 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
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
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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?
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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
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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
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VP
IE 
RE

1 
R2
 VCC
 VBE 
RE 
R1  R2

 IC
 VRE가 크면 VX와 VBE의 변동에 둔감함
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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
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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
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VCC  VBE
IC 

1.1RC
VCC  VBE
 RC
RC 
, RB 
1.1I C
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Summary of Biasing Techniques
IC 
IC  
VCC  VBE
RB
I C  I S exp(
IC  
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
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
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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


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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
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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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5.3.1 Common-Emitter Topology
 Analysis of CE Core
Inclusion of Early Effect
 Emitter Degeneration
Inclusion of Early Effect
 CE Stage with Biasing
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Common-Emitter Topology
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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
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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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CE Stage Trade-offs
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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
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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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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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