9/13/2017

1

Analog Electronics(Course Code: EE314)

Lecture 11‐13: BJT Amplifiers

Indian Institute of Technology Jodhpur, Year 2017

Course Instructor: Shree Prakash TiwariEmail: sptiwari@iitj.ac.in

Webpage: http://home.iitj.ac.in/~sptiwari/

Course related documents will be uploaded on  http://home.iitj.ac.in/~sptiwari/EE314/

1

Note: The information provided in the slides are taken form text books for microelectronics (including Sedra & Smith,  B. Razavi), and various other resources from internet, for teaching/academic use only

Common‐Emitter (CE) Topology

9/13/2017

2

Small Signal of CE Amplifier

outv v

vA

inv

Limitation on CE Voltage Gain 

• Since gm = IC/VT, the CE voltage gain can be written as a function of VRC , where VRC  = VCC ‐ VCE.

• V should be larger than V for the BJT to be• VCE should be larger than VBE for the BJT to be operating in active mode.

T

RC

T

CCv V

V

V

RIA

TT VV

9/13/2017

3

Voltage‐Gain / Headroom Tradeoff

I/O Impedances of CE Stage

• When measuring output impedance, the input port has to be grounded so that vin = 0.

riv

RX

Xin C

X

Xout R

i

vR

9/13/2017

4

CE Stage Design Trade‐offs

Inclusion of the Early Effect

• The Early effect results in reduced voltage gain of the CE amplifier.  

OCout

OCmv

rRR

rRgA

||

)||(

9/13/2017

5

Intrinsic Gain

• As RC goes to infinity, the voltage gain approaches its maximum possible value, gm × rO, which is referred to as the intrinsic gain.  

• The intrinsic gain is independent of the bias current:

A

Omv

VA

rgA

T

Av V

VA

Current Gain, AI

• The current gain is defined as the ratio of current delivered to the load to current flowing into the input.

F CE t it i l t • For a CE stage, it is equal to .

outI i

iA

CEI

in

A

i

9/13/2017

6

Emitter Degeneration

• By inserting a resistor in series with the emitter, we “degenerate” the CE stage.  

• This topology will decrease the gain of the amplifier but• This topology will decrease the gain of the amplifier but improve other aspects, such as linearity, and input impedance. 

Small‐Signal Analysis

• The gain of a degenerated CE stage = the total load resistance seen at the collector divided by 1/gm plus the total resistance placed in series with the emitter.   

Em

C

Em

Cmv

Rg

R

Rg

RgA

11

9/13/2017

7

Small‐Signal Analysis

• The gain of a degenerated CE stage = the total load resistance seen at the collector divided by 1/gm plus the total resistance placed in series with the emitter.   

Em

C

Em

Cmv

Rg

R

Rg

RgA

11

Emitter Degeneration Example 1

Note that the input impedance of Q is in parallel with RNote that the input impedance of Q2 is in parallel with RE. 

21

||1

rRg

RA

Em

Cv

9/13/2017

8

Emitter Degeneration Example 2

Note that the input impedance of Q2 is in parallel with RC.Note that the input impedance of Q2 is in parallel with RC.

E

m

Cv

Rg

rRA

1

2

1||

Input Impedance of Degenerated CE Stage

• With emitter degeneration, the input impedance is increased from r to r + (+1)RE ― a desirable effect.

AV )(

Ex

xin

xExx

A

Rri

vR

iRirv

)1(

)1(

)(

9/13/2017

9

Output Impedance of Degenerated CE Stage

• Emitter degeneration does not alter the output impedance, if the Early effect is negligible.

A

v

V

)(

Cx

xout

Emin

Ri

vR

vRvgr

vvv

00

Degenerated CE Stage as a “Black Box”

in

A

vgi

V

)(

• If gmRE >> 1, Gm is more linear.Em

m

in

outm

Emmout

Rg

g

v

iG

Rgrgi

1

)(1 1

9/13/2017

10

Degenerated CE Stage with Base Resistance

)1(

.

)(

Cout

A

out

in

A

in

out

A

RRr

R

v

v

v

v

v

v

v

v

V

11

)1(

BE

m

Cv

BEin

RR

g

RA

RRrv

Degenerated CE Stage: Input/Output Impedances 

• Rin1 is more important in practice, because RB is often the output impedance of the previous stage.

EBin

Ein

A

RR

RrRR

RrR

V

)1(

)1(

)(

2

1

Cout RR

9/13/2017

11

Emitter Degeneration Example

Emitter Degeneration Example

1

1)||(R

RRA C

v

1

2

2

||

)1(

11

RRR

RrR

RR

g

Cout

in

B

m

9/13/2017

12

Output Impedance of Degenerated CE Stage with VA<∞

• Emitter degeneration boosts the output impedance.– This improves the gain of the amplifier and makes the circuit a better current source.circuit a better current source. 

Output Impedance of Degenerated CE Stage with VA<∞

• Emitter degeneration boosts the output impedance.– This improves the gain of the amplifier and makes the circuit a better current source.circuit a better current source. 

)||(1

)||)(1(

||)||(1

rRgrR

rRrgrR

rRrrRgR

EmOout

EOmOout

EOEmout

9/13/2017

13

Two Special Cases

Stage with explicit depiction of ro:

rrgrRrR )1(:)1

OEmoutE

OmOoutE

rRgRrR

rrgrRrR

)1( : )2

)1( : )1

Analysis by Inspection• This seemingly complicated circuit can be greatly simplified by first recognizing that the capacitor creates an AC short to ground, and gradually g , g ytransforming the circuit to a known topology.

9/13/2017

14

Analysis by Inspection• This seemingly complicated circuit can be greatly simplified by first recognizing that the capacitor creates an AC short to ground, and gradually g , g ytransforming the circuit to a known topology.

12 ||)||(1 RrrRgR Omout Omout rrRgR )||(1 21 11 || outout RRR

Example: Degeneration by Another BJT

1121 )||(1 OOmout rrrgR

• Called a “cascode”, this circuit offers many advantages that we will study later...

1121 )||( OOmout g

9/13/2017

15

Bad Input Connection

• Since the microphone has a very low resistance (connecting the base of Q1 to ground), it attenuates the base voltage and renders Q1 with a very small bias current.

Use of Coupling Capacitor

• A capacitor is used to isolate the DC bias network from the microphone , and to short (or “couple”) the 

f fmicrophone to the amplifier at higher frequencies. 

9/13/2017

16

DC and AC Analysis

• The coupling capacitor is replaced with an open circuit for DC analysis, and then replaced with a short circuit for AC analysiscircuit for AC analysis.

OCmv rRgA )||(

OCout

Bin

rRR

RrR

||

||

Bad Output Connection

• Since the speaker has an inductor with very low DC resistance, connecting it directly to the amplifier would ~short the collector to ground, causing the BJTwould  short the collector to ground, causing the BJT to go into deep saturation mode.

9/13/2017

17

Use of Coupling Capacitor at Output

• The AC coupling indeed allows for correct biasing.  However, due to the speaker’s small input impedance the overall gain drops considerablyimpedance, the overall gain drops considerably.

CE Stage with Voltage‐Divider Biasing

rRgA )||(

OCout

in

OCmv

rRR

RRrR

rRgA

||

||||

)||(

21

9/13/2017

18

CE Stage with Robust Biasing 

Cv

R

RA

1

AV

Cout

Ein

E

m

RR

RRRrR

Rg

21 ||||)1(

Elimination of Emitter Degeneration for AC Signals

• The capacitor C2 shorts out RE at higher frequencies to eliminate the emitter degeneration.

Cout

in

Cmv

RR

RRrR

RgA

21 ||||

)( AV

9/13/2017

19

Complete CE Stage

ssE

m

LCv RRR

RRRRR

Rg

RRA

21

21

21 ||

||

1||||1

||

Summary of CE Concepts