Ch 6Ch. 6 BJT AmplifiersBJT Amplifierselearning.kocw.net/contents4/document/lec/2013/Hankyong/YuYunseop/8.pdf · r′e 스왐핑 (swamping) 바이패스를 갖는 R E 와 바이패스를

Ch 6Ch. 6 BJT AmplifiersBJT Amplifiers

Yun SeopYu0-5.(복습) 증폭기 (amplifier)

참고:

2

Yun SeopYu0-5. (복습) 증폭기 (amplifier)

이득과 전달특성곡선 (transfer characteristics curve)

3

Yun SeopYu0-5. (복습) 증폭기 (amplifier)

증폭기 이득의 표현 방식 – 데시벨 (dB)

4

Yun SeopYu6-1 증폭기의 동작

교류량

DC: IC, IB, VC, VB , RE …..

AC 실효값 첨두값 첨두간 전압 전류 I I V V RAC: 실효값, 첨두값, 첨두간 전압, 전류….. Ic, Ib, Vc, Vb , Re ..

순시값: ic, ib, vc, vb …..

첨두값

평균값실효값

첨두값

첨두간 전압

5


호소신호 증폭기

C C C DC 차단

6

C1, C2, C3: DC 차단(결합 캐패시터)


그래프 해석

7


Ex.6-1Q. Q점이 베이스 전류인 50μA를 중심으로 상하 10μA씩변화.

첨두간 컬렉터 전류와 첨두간 컬렉터-이미터 전압은?

A. 첨두간 컬렉터 전류

- 6mA ~ 4mA

첨두간 컬렉터-이미터 전압

- 1V ~ 2V

8

Yun SeopYu6-2 트랜지스터 교류 등가회로

r parameter의 등가회로

r′c : 교류 컬렉터 저항 - 수백 kΩ => open

′ 교류 베이스저항 ll 무시가능r′b : 교류 베이스저항 - small => 무시가능

r′e : 교류 이미터저항 - 순방향 바이어스 된 emitter에서 본 저항

r 파라미터 등가회로단순화된 r 파라미터 등가회로E

e I25mVr' =

IbIe

Q. IE=2mA, r′e ?

Ex 6-2 25mV25mV

9A.

Ex.6-2 12.5Ω2mA

25mVI

25mVr'E

e ===


식에 의한 r′e 정의

PN 접합 IE = IR(eqV/kT – 1)

E

PN 접합 IE IR(e 1)

q/kT = 40 (상온에서)

IE = IR(e40V – 1) = IRe40V – IRr'e

IE + IR = IRe40V

미분 dIE = (40IRe40V)dV

dI /dV =40I e40V = 40(I + I ) ≈ 40I

B

dIE/dV =40IRe40V = 40(IE + IR) ≈ 40IEIE >> IR

r′e = dV/dIE = 1/40IE =25mV/IE

βacIb

C


직류 β (βDC)와 교류 β(βac) Ic/Ie직류 α (αDC)와 교류 α (αac) Ic/Ib의 관계도 마찬가지…

11


h parameter상대적으로 측정이 쉬워 제조회사에서

0V1

111 I

Vh =

주로 취급

V h I h V 0V1

221

0V1 2

IIh

I=

=

output(port 2)short

V1 = h11I1 + h12V2

I2 = h21I1 + h22V2 I20I2

112

0V1 2

VVh

I=

=

2-portNetwork

V1 V2I10I2

222

0I2 1

VIh

V=

=

input (port 1)open

Network 0I2 1V

=

입력 출력 AC ground 공통이미터 (common emitter) B C E공통켈렉터 (common collector) B E C

12

공통베이스 (common base) E C B

Yun SeopYu6-3 공통 이미터 증폭기

높은 전류, 전압 이득DC 분석 Q점 도출 (바이어스의 안정성)

AC분석 입력저항, 출력저항, 전압이득 (전압이득의 안정성)

13

input

output


직류해석

RIN = R2||RIN(BASE) = R2|| βDCRE

커패시터 OPEN

교류신호제거

RIN = R2||RIN(BASE) = R2|| βDCRE

If βDCRE >> R2 RIN ≈ R2

CC21

2CC

IN1

INB V

RRRV

RRRV ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=

VE = VB - VBE

I = V /R ≈ ICIE = VE/RE ≈ IC

VC = VCC – ICRC

RIN

VCE = VC – VE

= VCC – ICRC – IERE EDCIN(BASE) RβR =

R ll Ch 5 !

14= VCC – IC(RC+RE)

Recall Ch.5 !


AC 분석C1, C2, C3 short

직류전원 AC ground (교류접지)

교류 등가회로

V β I

c

Ib

Ib

VinβacIb

r′e

bIb

Ie

e

15


Base에서의 ac 전압 Vb

in VRV ⎟⎞

⎜⎛

입력저항

ssin

inb V

RRV ⎟⎟

⎠⎜⎜⎝ +

=

Ib

bini (b )

VVR ==

입력저항

Rin = R1||R2||Rin(base)

Ib

Ie

,ebac

,ee

binin(base)

IrIβ

IrI

IIR

==R

,eac

bb

rβII

= Rin(base)

Rin

Rout

출력저항

16

항

Rout = RC


Q. 그림은 증폭기의 교류등가회로이다. IE=3.8mA일 때교류입력저항 Rin과 Vb를 구하라

Ex.6-3

A.

6.58Ω3.8mA25mV

I25mVr'

Ee ===

A.

E

1.05kΩ)160(6.58ΩrβR ,eacin(base) ===

Rin = R1||R2||Rin(base) =22 kΩ ||6.8 kΩ ||1.05 kΩ =873 Ω

873ΩR ⎞⎛⎞⎛ 7.44mV10mV1173Ω873ΩV

RRRV s

cin

inb =⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=

17


IIb

Ie

R

전압 이득신호원의 감쇠를 고려한 전체전압이득

Rin

전압 이득

b

c

in

outv V

VVVA ==

III ≈=β

신호원의 감쇠를 고려한 전체전압이득

cbc' VVVA ⎟⎟⎞

⎜⎜⎛⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

==

,e

C

e,e

outbac

bin

rR

IrRIβ-

==

ecbac III ≈=β

Cin

bssv

RR

VVVA

⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

=

⎟⎟⎠

⎜⎜⎝⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

==

18

eee ,esin rRR ⎟⎟

⎠⎜⎜⎝ +

=음의 부호는 출력이 입력에 비해180o 반전됨을 의미


전압이득에서 Emitter Bypass Capacitor 의 영향

있으면

바이패스 커패시터의 용량이 충분히 커야 하며바이패스 커패시터의 용량이 충분히 커야 하며

10XC ≤ RE 이면 무시가능

R

없으면

,e

Cv r

RA =

없으면

교류해석 시에 RE를 고려해야

cVA

Ib

( )Coutbac

b

cv

RRIβ-

VA

==

=Ie

( ) E,

eeE,

e RrIRr +=

+=

19

Av 감소


Q. 이미터 바이패스 커패시터의 최소값을 구하라. 증폭기는 200Hz ~ 10kHz 주파수 범위에서 동작한다.

Ex.6-4

10XC ≤ RE

X R /10 560 Ω /10 56Ω

A.

XC =RE/10=560 Ω /10=56Ω

커패시턴스 값은 최소주파수 200Hz에서결정됨결정됨

14.2uF)Ω(200Hz)(562π

1fX2π1C

C2 ===

Q. 위의 회로에서 바이패스 커패시터의 유무에 따른 전압이득을구하라.

Ex.6-5

1 0kΩRC2 없는 경우

우

A.

1 0kΩR

1.76566.58kΩ

1.0kΩRr

RAE

,e

Cv ==

+=

20

C2 있는 경우 1526.58kΩ1.0kΩ

rRA ,

e

Cv ===


부하의 영향

부하 RL 없으면 Rout = RCIb

부하 RL 있으면

Rout = RC||RL Av 감소Ie

Rout = RC||RLRout RC||RL

Let, Rc=RC||RL

Q. 부하저항 5kΩ , r′e=6.58 Ω전압이득

Ex 6-6전압이득?.

Ex.6 6

A.833ΩR

833Ω5kΩ||1.0kΩR||RR LCc ===

1276.58Ω833Ω

rRA ,

e

cv ===

21152

6.58Ω1.0kΩ

rRA ,

e

Cv ===Cf) 무부하 이득


전압이득의 안정성r′e 는 IE에 의존하며 온도에 따라 변화한다

바이패스를 갖는 RE Av = Rout/r′e온도증가 r′ 증가 A 감소온도증가 r′e 증가 Av 감소

바이패스를 갖지 않는 R A = R /(r′ +R )바이패스를 갖지 않는 RE Av = Rout/(r e+RE)

r′e 영향 감소

RE >> r′e Rout/RE Av 감소하지만 r′e 영향은 없다.RE >> r e Rout/RE Av 감소하지만 r e 영향은 없다.

22


r′e 스왐핑 (swamping)

바이패스를 갖는 RE 와 바이패스를 갖지 않는 RE 의 절충형E E

최소 전압 이득 유지 & r′e 영향 최소화

Ib

IIe

V VVR bin

b

cv

RRIβ

VVA =

I)R(rIβ

I)R(rI

IIR

E1,ebacE1

,ee

b

b

in

inin(base)

+=

+=

==

23( ) E1

,e

C

eE1,e

outbac

RrR

IRrRIβ-

+=

+=

)R(rβII

E1,eac

bb

+=


공통 이미터 증폭기의 위상반전출력신호 Vout은 입력신호 Vin에 180°위상 반전

24


Q (a) 직류 컬렉터전압 (b) 교류

Ex.6-8

Q. (a) 직류 컬렉터전압 (b) 교류컬렉터전압 (c) 전체 컬렉터 전압및 파형을 구하라.

직류등가회로

10kΩR ⎞⎛⎞⎛

141kΩ470)150(470)R(RβR E2E1acin(base) =+=+=(a)

1.75V10VkΩ47kΩ

10kΩVRR

RV CC21

2B =⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

+=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=10

RIN(base) >>10R2 직류 베이스전압 무시 가능IN(base) 2 능

VE = VB – VBE = 1.75V-0.7V = 1.05V

I V /(R R ) 1 05/940 1 12 A

25

IE = VE/(RE1 +RE2) = 1.05/940 = 1.12mA

VC = VCC – ICRC =10V-(1.12mA)(4.7kΩ)=4.74V


(b) Ex.6-8 계속Ib

22Ω1.12mA25mV

I25mVr'

Ee ===

)R(rβR +

Ie

86.1kΩ)175(492Ω)R(rβR E1

,eacin(base)

==

+=

0.93kΩ7 53Ω600Ω

7.53ΩRR

RVVnattenuatio inb ====

Rin = R1||R2||Rin(base) = 44 kΩ ||10 kΩ ||86.1 kΩ =7.53 Ω

7.53Ω600ΩRRV inss ++

4.27Ω47kΩ||4.7kΩR||RR LCc ===

9.09470Ω4.27Ω

RRA

E1

cv === 신호원의 실효전압이 10mV이라면

컬렉터의 실효전압은 Vc=A′vVs=8 459)(0 93)(9 0AVA b'전체 전압이득

26

c v s

(8.45)(10mV)=84.5mV8.459)(0.93)(9.0A

VA v

s

bv ===전체 전압이득


( )

전체 컬렉터 전압 = 직류+교류

V V 4 4V 84 5 V

(c)Ex.6-8 계속

= VC +Vc = 4.74V + 84.5mVrms

전체 컬렉터 전압

(cf.) 84.5mVrms

(84.5mVrms)(1.414)=119mV( rms)( )

Max Vc(p)=4.74V+119mV(p)

=4.86 V

Min Vc(p)=4 74V-119mV출력교류전압 Vout 신호원 VsMin Vc(p)=4.74V 119mV

=4.62 V

27


전류이득Ic

IIIb=== ac

b

c

in

outi β

II

IIA

I전체전류이득 Is

⎟⎞

⎜⎛⎟⎞

⎜⎛ b' III

Ie

Rin(base)⎟⎞

⎜⎛

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛==

21

b

c

s

b

s

ci

R||R

II

II

IIA

Rin(base)

⎟⎞

⎜⎛

⎟⎞

⎜⎛⎟⎞

⎜⎛

⎟⎟⎠

⎜⎜⎝ +

=

'

sin(base)21

21b

R||RII

IRR||RR||RI

전력이득⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

+=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

in(base)21

21ac

b

c

s

b'i RR||R

R||RβII

IIA

전력이득

전체전력이득

Ap = A′iA′v

28

Ap A iA v

Yun SeopYu6-4 공통 컬렉터 증폭기

Emitter follower전압이득 = 1, 높은 입력저항과 전류이득 버퍼로 이용

Ib

교류등가회로

Ie

전압이득Let, Re=RE||RL

( ) 1Rr

RIRr

RIVVA ,

e,

ee

i

outv ≈

+=

+== (Re >> r′e )

29

( ) RrIRrV eeeeein ++

Yun SeopYu

출 항

6-4 공통 컬렉터 증폭기

출력저항

부하를 제거하고 이미터 플로어의이미터를 본 저항은?

입력저항

Rin(base) = Vin/Iin = Ie(r′e+Re)/Ibβ I ( ′ R )/I 이미터를 본 저항은?= βacIb(r′e+Re)/Ib

= βac(r′e+Re)

β R bac

e

e

e

out

outout Iβ

VIV

IVR ===

= βacRe

( Re >> r′e)

Rin = R1||R2||Rin(base)s

b

s21

bb

baceout

RV

R||R||RVI

β

≈=

( V 0 가정

RE >> r′e이므로 r′e에 걸린 전압을

Rin = R1||R2||Rin(base) ( Vs = 0 가정R1, R2 >> Rs 가정)

Ib

무시하면

eb VV ≈Ie

ac

s

sbac

e

bac

eout β

R/RVβ

VIβ

VR =≈=

30최종 출력저항 E

ac

sout R

βRR' ||⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Rin(base)Rin Re=RE||RL


전류 이득

binin

in IR

VR||R||R

VI =≈= ( R1, R2 >> Rin(base))

acb

e

in

outi

in(base)in(base)21

βII

IIA

RR||R||R

===

( 1, 2 in(base))

전력 이득

Ap = AiAv

bn

p

Av≅1 이므로 Ap ≅ Ai Ib

Ie

Rin(base)Rin Re=RE||RL

31

e E L


Q 전체입력저항 전압이득 전류이득 R 에 유도된 전력을 구하라

R R ||R 470Ω||470Ω 235Ω

Q. 전체입력저항, 전압이득,전류이득, RL에 유도된 전력을 구하라, 단 βac=175

Ex.6-9

A

3 Vrms

Re = RE||RL =470Ω||470Ω=235Ω

Rin(base) ≅βacRe =(175)(235 Ω)=41.1 KΩ

Rin = R1||R2||Rin(base)

A.

470Ω 470Ω

1 uF

51 kΩ

3 Vrmsin 1 2 in(base)

=18KΩ|| 51KΩ|| 41.1 KΩ= 10.1 KΩ

7 39V10V51kΩVRV 2 ⎟⎞

⎜⎛

⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

470Ω 470Ω

VE = VB – VBE = 7.39V - 0.7V = 6.69V

7.39V10VkΩ518kΩ

VRR

V CC21

2B =⎟

⎠⎜⎝ +

=⎟⎟⎠

⎜⎜⎝ +

=1

12 7 AV(0.992)(3)VAVII bveE B BE 6 6

IE = VE/RE ≈ 6.69V/470Ω= 14.2mA

Ω25mV25mV'297μ

10 1kΩ3V

RVI

12.7mA235Ω

V(0.992)(3)RVA

RVII

inin

e

bv

e

eeout

=≈=

=≈===

0 992235RA

1.76Ω14.2mA25mV

I25mVr'

e

Ee

==≈

===

42 8AAAA

42.8297μ912.7mA

IIA

10.1kΩR

in

outi

in

===

32

0.9922351.76Rr'

Aee

v =+

=+

≈ 42.8AAAA iivp =≈=

RL = RE 이므로 RL에 전달된 power는 Ap/2 = 21.4


달링톤 회로이미터 플로어 회로에서 최대 입력저항은 βac에 의해 제한됨

Darlington 회로 입력 임피던스 증가시키기 위한 방법

총 전류이득 βac = βac1 βac2Rin(base1)= βac1 βac2RE

CC Amp 에서 R β RCC Amp.에서 Rin(base) = βacRe

Rin(BASE1)

33


Darlington 회로 – AC 분석

IIβI b2b1ac1e1 == 1

)R(r'Ir'IVVR

IββIβIIIβI

ee2e2e1e1b1in

b1ac2ac1b2ac2e2

b2b1ac1e1

++===

==1

2

))R(r'Ir'I(I

)R(r'IIII

R

ee2e2e1e1ee2e2

b1b1inin

+<<←+

≈

===

Ie2Ie1 =

)R(r'ββI

)R(r'IββI

ee2ac2ac1b1

ee2b1ac2ac1

eeeeeb1

+=+

=

)R(r'IRI

)R(r'Ir'IRI

VV

VVA

I

ee2e2

ee2

ee2e2e1e1

ee2

b1

e2

in

outv

b1

+≈

++===

Re=RE||RL

1)(Rr'

Ree2

e ≈+

=

Buffer로 사용

34

Buffer로 사용


응 용응 용[예]공통이미터 증폭기로 저전력 스피커와 같은 작은 저하을 갖는 부하를구동시킨다구동시킨다.

Let.CE Amp. 에서 r′e = 5Ω

R 1kΩ

만약 스피커 (부하 RL) 없이 CE Amp 만의

RC=1kΩ스피커 RL=8Ω

만약 스피커 (부하 RL) 없이 CE Amp. 만의전압이득은

A R / r′ 1k / 5 200 전압이득의Av = RC/ r′e= 1k / 5 =200

CE증폭기와 스피커가 직접 연결되었다면

전압이득의급격한 감소

Rc = RC||RL = 1k || 8 = 7.94 ΩA = R /r′Av = Rc/r e

= 7.94/5 = 1.635


회 응용Darlington 회로의 응용

Emitter follower를 buffer로 이용 (증폭기와 스피커 간의 인터페이스)

Av = 200 )1(Rr'

RAee2

ev ≈

+=

36

최종 출력에서 봤을 때 전압이득 =200 CE증폭기의 전압이득을 그대로 전달할 수 있다


Ex.6-10 Q CE Amp. 에서 VCC=12V, RC=1kΩ, r′e = 5Ω다링톤 이미터 폴로어에서 R1=10kΩ, R2=22kΩ, RE=22Ω,

R =8Ω V =12V β =β =100DC해석• 먼저 다링톤의 r′e2 을 구하자Recall.

전압분배 바이어스에서

RL=8Ω, VCC=12V, βDC=βAC=100

220kΩ)(22)(100

RββR2

EDC2DC1IN(BASE1) =

전압분배 바이어스에서RIN(BASE)=βDCRE

VR||RR

R||RV

220kΩ)(22)(100

ccIN21

IN2B

2

+=

==

R

(12)220k||22k10k

220k||22kR||RR IN21

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=

+ RIN(BASE1)

300mA22

0.70.78R

VVVRVI

8V BE2BE1BE

E =−−

=−−

==

=

83mΩ300m25m

I25mr'e2 ===

37

22RR EEE 300mIE


Ex 6-10 계속Ex.6 10 계속AC 해석

Rin(base1)=β2ac(r′e2 +Re)

Rin(EF) = R1||R2||Rin(base1)

= 10k||22k|| (1002)(83m+22||8)

6 16kΩ= 6.16kΩ

CE Amp. 에서

Rc = RC||Rin(EF) = 1k||6.16k = 860 Ω

Rin(base1)Rin(EF)

Rc RC||Rin(EF) 1k||6.16k 860 Ω

Av(CE) = Rc/r′e = 860/5 =172

EF에서

Re = RE||RL

Av(EF) = Re/(r′e2 + Re) = (5.87)/(83m+5.87) = 0.99

전체전압이득

Av = Av(CE)Av(EF) = (172)(0.99) = 170

만약 CE증폭기에 스피커가 직접 연결됐다면 이득은 앞에서와 같이 1 59가 됨

38

만약 CE증폭기에 스피커가 직접 연결됐다면 이득은 앞에서와 같이 1.59가 됨

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