ch 6ch. 6 bjt amplifiersbjt...
TRANSCRIPT
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
Yun SeopYu6-1 증폭기의 동작
호소신호 증폭기
C C C DC 차단
6
C1, C2, C3: DC 차단(결합 캐패시터)
Yun SeopYu6-1 증폭기의 동작
그래프 해석
7
Yun SeopYu6-1 증폭기의 동작
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 ===
Yun SeopYu6-2 트랜지스터 교류 등가회로
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
Yun SeopYu6-2 트랜지스터 교류 등가회로
직류 β (βDC)와 교류 β(βac) Ic/Ie직류 α (αDC)와 교류 α (αac) Ic/Ib의 관계도 마찬가지…
11
Yun SeopYu6-2 트랜지스터 교류 등가회로
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
Yun SeopYu6-3 공통 이미터 증폭기
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 !
Yun SeopYu6-3 공통 이미터 증폭기
AC 분석C1, C2, C3 short
직류전원 AC ground (교류접지)
교류 등가회로
V β I
c
Ib
Ib
VinβacIb
r′e
bIb
Ie
e
15
Yun SeopYu6-3 공통 이미터 증폭기
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
Yun SeopYu6-3 공통 이미터 증폭기
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
Yun SeopYu6-3 공통 이미터 증폭기
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
Yun SeopYu6-3 공통 이미터 증폭기
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
Yun SeopYu6-3 공통 이미터 증폭기
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 ===
Yun SeopYu6-3 공통 이미터 증폭기
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
Yun SeopYu6-3 공통 이미터 증폭기
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
Yun SeopYu6-3 공통 이미터 증폭기
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
+=
Yun SeopYu6-3 공통 이미터 증폭기
공통 이미터 증폭기의 위상반전출력신호 Vout은 입력신호 Vin에 180°위상 반전
24
Yun SeopYu6-3 공통 이미터 증폭기
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
Yun SeopYu6-3 공통 이미터 증폭기
(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
Yun SeopYu6-3 공통 이미터 증폭기
( )
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
Yun SeopYu6-3 공통 이미터 증폭기
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
Yun SeopYu6-4 공통 컬렉터 증폭기
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
Yun SeopYu6-4 공통 컬렉터 증폭기
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
Yun SeopYu6-4 공통 컬렉터 증폭기
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
Yun SeopYu6-4 공통 컬렉터 증폭기
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
Yun SeopYu6-4 공통 컬렉터 증폭기
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
Yun SeopYu6-4 공통 컬렉터 증폭기
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
Yun SeopYu6-4 공통 컬렉터 증폭기
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
Yun SeopYu6-4 공통 컬렉터 증폭기
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