Lecture Electrical Engineering: Lecture 18 - Dr. Nasim Zafar

The main contents of the chapter consist of the following: Introduction, the operating point and biasing stability, fixed-bias circuits, fixed bias with emitter resistance, voltage-divider bias circuits.

COMSATS Institute of Information Technology Virtual campus Islamabad Dr. Nasim Zafar Electronics 1:  EEE 231 Fall Semester – 2012  Transistor Biasing Circuits and Thermal  Stability Lecture No:  18 Nasim Zafar 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:  Nasim Zafar         Robert T. Paynter.  References for this Lecture: Chapter No. 9 Ø Microelectronic Circuits:           Adel S. Sedra and Kenneth C. Smith.  Ø Integrated Electronics :   Jacob Millman and Christos Halkias (McGraw­Hill) Nasim Zafar Objectives: Ø Ø Ø Ø Discuss the concept of dc biasing of a transistor for the linear  operation in the active region Establish an operating point Q in this active region to provide  appropriate potentials and currents Analyze the voltage­divider bias, base bias, and collector­ feedback bias circuits.   Establish a criterion for comparing the stability of different  biasing circuits.  Nasim Zafar Transistor Biasing Circuits: an Introduction Ø Ø Biasing refers to the establishment of suitable dc values of different currents  and voltages of a given transistor Through proper biasing, a desired DC operating point or quiescent point;        Q­Point of the transistor amplifier, in the active region (linear region) of the    characteristics is obtained.  Ø The goal of amplification, in most cases, is to increase the amplitude of an ac  Nasim Zafar signal without  distortion or clipping the wave form.  Transistor Biasing Circuits: an Introduction Ø The selection of a proper DC operating point or quiescent point, generally  depends on the following factors:    (a)  The amplitude of the ac signal to be handled by the amplifier and      distortion level in signal. Applying large ac voltages to the base would  result  in driving the collector current into saturation or cutoff  regions  resulting in a  distorted or clipped wave form.    (b)  The load to which the amplifier is to work for a corresponding supply           voltage Nasim Zafar The DC Operating Point: Biasing and Stability Ø The goal of amplification, in most cases, is to increase the amplitude  of an ac signal without  distortion or clipping the wave form.  Nasim Zafar Transistor Output  Characteristics: IC IB = 40µA IC IB = 30µA IB = 20µA IB = 10µA Early voltage Ø Nasim Zafar Cutoff region  At a fixed IB, IC is not dependent on VCE VCE Transistor Output Characteristics:   Load Line – Biasing and Stability  The requirement  is to set the Q­point such that that it does not go into the  saturation or cutoff  regions when an a ac signal is applied.  Nasim Zafar 10  2.  Fixed­Bias with Emitter Resistance     Single Power Supply Nasim Zafar 24 2.  Fixed­Bias with Emitter Resistance: Ø  1.  Base­Emitter Loop: KCL:   IE =  IC + IB  The emitter current can be written as: From the above two equation we get: Fixed­Bias Circuit with Emitter Resistance Nasim Zafar 25  2. Fixed­Bias with Emitter Resistance.  Ø   2.  Collector­Emitter Loop with the base current  known, IC can be easily  calculated by the relation  IC  = β IB Fixed­Bias Circuit with Emitter Resistance Nasim Zafar 26 3.   3.  Voltage­Divider­Bias Circuits Nasim Zafar 27 3. Voltage­Divider­Bias Circuits: Voltage­Divider Bias  Circuits: R2 10 β RE – Sometimes referred to as  Universal­Bias Circuit:  28 Nasim Zafar 3. Voltage­Divider­Bias Circuits: Ø   Voltage­divider biasing circuit is  the most widely used type of   transistor biasing circuit   Ø Ø  Only one power supply is needed.   and voltage­divider bias is more  stable (  independent) than other  bias types.  Nasim Zafar 29 3. Voltage­Divider­Bias Circuits: Ø Ø Ø   For the transistor circuit shown  here, R1 and R2 set up a voltage  divider on the base, voltage to the  point A (base).    The resistance to ground from the  base is not significant enough to  consider in most cases.    Remember, the basic operation of  the transistor has not changed.  Nasim Zafar 30 3. Voltage­Divider­Bias Circuits: Voltage­Divider Bias circuit Nasim Zafar Simplified Voltage­Divider circuit 31 3. Voltage­Divider­Bias Circuits: Determination of  VTh – the Thevenin Voltage   32 Nasim Zafar 3. Voltage­Divider­Bias Circuits:    1.  Base Emitter Loop:  The Thevenin equivalent Voltage  for the input circuit is given by: Ø Ø  and Resistance for the input  circuit: Nasim Zafar 33 3.  Voltage­Divider Bias Circuits: Ø Ø 1.  Base­Emitter Loop: The KVL equation for the input circuit: Nasim Zafar 34 3. Voltage­Divider Biasing Circuits: Ø 2.  Collector­Emitter Loop: VE IE = RE IC VCE ≅ VCC − ( RC + RE ) I C 35 Nasim Zafar 3. Voltage­Divider Biasing Circuits: Voltage Divider Equations: VE IE = RE IC VCE ≅ VCC − ( RC + RE ) I C VBB − VBE IB = RBB + RE ( β + 1) IC = β I B VCE = VCC − ( RC + RE ) I C 36 Nasim Zafar Emitter Biased Transistor Circuits:  Ø Ø Ø Ø  This type of circuit is independent  of   making it as stable as the  voltage­divider type, The drawback is that it requires two  power supplies  Two key equations for analysis of  this type of bias circuit are given  below.  With these two currents known we  can apply Ohm’s law and  Kirchhoff's law to solve for the  voltages.  IB ≈  IE/   IC ≈  IE ≈ ( ­VEE­VBE)/(RE + RB/ DC) Nasim Zafar 37 Summary: Ø β dc Dependent on: – Operating Point Q – Temperature  – R For stability of the Q­point: 10 β RE – Make  Nasim Zafar 38 ... Greatly reduces effects of change of β  – Equations  – highly dependent on  dc  Nasim? ?Zafar 18     1. Fixed­Biased Transistor Circuits.         Single Power Supply Nasim Zafar 19 DC Voltages and Currents in a BJT: v   Active region ­ Amplifier: BJT acts as a signal amplifier... of an ac signal without  distortion or clipping the wave form.  Nasim Zafar Transistor Output  Characteristics: IC IB = 40µA IC IB = 30µA IB = 20µA IB = 10µA Early voltage Ø Nasim? ?Zafar Cutoff region  At a fixed IB, IC is not dependent on VCE... saturation or cutoff  regions when an a ac signal is applied.  Nasim Zafar 10 The DC Operating Point: Biasing and Stability Slope of the Load Line: VCC  = VCE + VRC  VCE  = VCC ­­ VRC VCE  = VCC ­­ IC  RC Ic ( )VCE Rc VCC RC Nasim Zafar 11 The DC Operating Point: