DC 바이어스

Ch 5 Ch. 5

BJT Bias Circuits

BJT Bias Circuits

Yun SeopYu

5-1 DC 동작점

DC 바이어스

증폭기가 선형영역에서 동작할 수 있도록 적절한 동작점을 설정 부적절한 바이어스는 출력의 왜곡을 초래

부적절한 바이어스는 출력의 왜곡을 초래

선형동작 차단에 의한 제한

선형동작 차단에 의한 제한

포화에 의한 제한

2

Yun SeopYu

5-1 DC 동작점

그래프 해석

A

^{: I}_B=200 μA가 되게 V_BB 조정

z I_C= β_DC I_B = 20 mA, V_CE= V_CC - I_CR_C= 5.6V

B

^{: I}_B^{=300 μA, I}_C^{=30 mA, V}_CE^{=3.4 V}

C

^{: I}_B^{=400 μA, I}_C^{=40 mA, V}_CE^{=1.2 V}

Yun SeopYu

5-1 DC 동작점

DC 부하선 DC 부하선

I_B 증가 Æ I_C (= β_DC I_B ) 증가 Æ V_CE (= V_CC - I_CR_C) 감소 V 조정 Æ Q점 이동 (직류 부하선)

V_BB 조정 Æ Q점 이동 (직류 부하선)

z 트랜지스터의 DC동작점 (Q점)은 DC부하선을 따라 움직인다.

x절편 ① : I 0 일때 V V I 0 (실제는 적은 누설전류 I x절편 ① : I_B = 0 일때, V_CE =V_CC , I_C =0 (실제는 적은 누설전류 I_CBO 존재 )

y 절편 ② :I_C = V_CC/R_C V_CE = 0 y 절편 ② :I_C = V_CC/R_C , V_CE = 0

V

_CE

(= V

_CC

- I

_C

R

_C

)

②

1 ⎟⎞ V

⎜ ⎛

V

_CE

( V

_CC

I

_C

R

_C

)

C CE CC

C

C

R

V V R

I 1 ⎟⎟ +

⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

− ⎛

=

① 4

Yun SeopYu

5-1 DC 동작점

선형동작: 출력전압은 입력전압을 선형적으로 재생

선형영역: 포화와 차단 사이의 모든 점을 포함하는 부하선상의 영역

Yun SeopYu

5-1 DC 동작점

파형왜곡

차단

포화

포화와 차단 포화와 차단

6

Yun SeopYu

5-1 DC 동작점

Q점을 찾고 선형동작을 위한 베이스 전류의 첨두값을 찾아라.

단, β_DC=200 Ex.5-1

Q.

μA 47kΩ 198

0.7V 10V

R V I V

B BB BE

B

− = − =

=

A.

6.93V 13.07V

20V R

I V

V

39.6mA A)

(200)(198μ I

β I

47kΩ R

C C CE CC

B DC C

B

=

−

=

−

=

=

=

=

Q점은 I_C=36.9mA, V_CE=6.93V

20V

V

20V V

V

60.6A 330Ω

20V R

I V

CC CE(cutoff)

C C(sat) CC

=

=

=

=

=

39 6 A 60 6 A

β I I

β I I

DC CQ C(sat)

DC c(peak) b(peak)

= −

=

A 200 105μ

39.6mA 60.6mA− =

=

Yun SeopYu

5-1 DC 동작점

바이어스의 안정도

외부의 영향에 따른 동작점 Q점 영향

β

_DC

의 영향

z

온도와 Ic에 따라 β

_C

값이 변화함 Æ Q점에 영향을 줄 수

z

온도와 Ic에 따라 β

_DC

값이 변화함 Æ Q점에 영향을 줄 수 있음

z

온도가 증가함에 따라 β

_DCDC

증가 V

_BE

의 영향

z

온도가 증가함에 따라 V

_BE

감소 Æ Q점에 영향을 줄 수 있음

8

Yun SeopYu

5-2 전압 분배 바이어스

전압분배바이어스의 등가 모델

일반적인 경우

I_B << I₂ 이므로 unloaded 모델 사용

I_B << I₂ 인 경우 입력저항 R_IN(base)를 고려한 경우

Yun SeopYu

5-2 전압 분배 바이어스

R

_IN(BASE)

: 베이스에서 본 저항

V_IN = V_{BE +} I_ER_E

I R (ÅV

B E B DC IN

IN(BASE) IN I

R I β I

R = V =

≈ I_ER_E (ÅV_BE

<< I_ER_E)

= I_CR_E = β_DCI_BR_E

E DC IN(BASE) β R

R =

⇒ I_CR_E β_DCI_BR_E

I =I I

_IN

=I

_B

=β

_DC

R

_E

R

_IN(BASE) 10

Yun SeopYu

5-2 전압 분배 바이어스

전압분배 바이어스 해석

R = R₂||R _{( S )} = R₂|| β _CR R_IN = R₂||R_IN(BASE) = R₂|| β_DCR_E

If

β_DCR_E >> R₂ Î R_IN ≈ R₂

⎞

⎛

⎞

⎛

CC 2

1 CC 2

IN 1

B IN

V

R R

V R R

R

V R ⎟⎟

⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛

= +

⎟⎟ ⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛

= +

V_E = V_B - V_BE I_E = V_E/R_E ≈ I_C V_C = V_CC – I_CR_C V_CE = V_C – V_E

R_IN

= V_CC – I_CR_C – I_ER_E

= V_CCCC – I_CC(R_CC+R_EE)

^R

^IN(BASE)

^{= β}

^DC

^R

^E

Yun SeopYu

5-2 전압 분배 바이어스

Ex.5-2

Q. V

_CE

와 I

_C

를 구하라. 단, β

_DC

=100

R_IN = R₂||R_IN(BASE) = R₂|| β_DCR_E 이고

56kΩ Ω)

(100)(560 R

β

R

_IN(BASE)

≈

_{DC E}

= =

A.

β_DCR_E = 10 R₂ 이므로 R_IN ≈ R₂

5 6kΩ

R ⎞ ⎛ ⎞

⎛

V = V – V =3 59V-0 7V=2 89V

3.59V 15.6kΩ 10V

5.6kΩ R V

R

V R

_CC

2 1

B 2

⎟ =

⎠

⎜ ⎞

⎝

= ⎛

⎟⎟ ⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛

= +

V_E = V_B V_BE =3.59V-0.7V=2.89V I_E = V_E/R_E =2.89V/560Ω=5.16mA I I 5 16 A

I_C ≈ I_E = 5.16mA

V_CE = V_CC – I_C(R_C+R_E) =10V-5.16mA(1.56kΩ)=1.95V

12

Yun SeopYu

5-2 전압 분배 바이어스

전압분배 바이어스의 안정도

테브난 등가회로

E E BE

TH B

TH

I R V I R

V = + +

2 1

R R R ⎟⎟ ⎞

⎜⎜ ⎛

BE E

DC E TH

E E BE

TH B TH

V β R

I R ⎟⎟ +

⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ +

=

2 2 1

2 TH 1

R V V

R R R

⎟⎟ ⎞

⎜⎜ ⎛

=

⎟⎟ ⎠

⎜⎜ ⎝ +

=

TH BE

TH

V

BE

V V

I V −

− ≈

=

⎠

⎝

Å R

_E

>> R

_TH

/ β

_DC

선택

CC 2

1

TH

V

R

V R ⎟⎟

⎜⎜ ⎠

⎝ +

=

Yun SeopYu

5-3 다른 종류의 바이어스 방법

B BE B CC

R

V I V −

베이스 바이어스 =

V_BB 대신 V_CC 사용

B BE DC CC

B DC C

0 V

R V

R V β V

I β

I −

=

=

C C CC

CE

CE C

C CC

R I V

V

0 V

R I V

−

=

=

−

−

I _C ^안정도

Q점에서 β_DC 의 영향

의 변화 Æ I V 변화

I

z β_DC 의 변화 Æ I_C, V_CE 변화,

z Æ Q점 변화가 매우 큼

z Æ 베이스 바이어스는 불안정

I _B

^z Æ 베이스 바이어스는 불안정

V_BE의 영향

14 z 온도 ↑, V_BE ↓ Æ I_B (= (V_CC – V_BE)/R_B) ↑

z 단, V_CC >> V_BE이면 무시 가능 (10배 이상)

Yun SeopYu

5-3 다른 종류의 바이어스 방법

온도에 따른 Q값 (I_C, V_CE)변화?

단, 온도변화에 따라 β_DC :85Æ100, V_BE : 0.7VÆ0.6V Ex.5-8

A

Q.

A.

9.61mA 100kΩ

0.7V 85 12V

R V β V

I

_{C(1) DC} ^{CC BE}

⎟ =

⎠

⎜ ⎞

⎝

⎛ −

⎟⎟ =

⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ −

=

(1)

β_DC =85, V_BE = 0.7V 일 때

6.62V )

Ω 60 (9.61mA)(5 12V

R I V

V

100kΩ β R

C C CE(1) CC

DC B C(1)

=

−

=

−

=

⎟ ⎠

⎜ ⎝

⎟ ⎠

⎜ ⎝

(2)

β 100 V 0 6V 일 때

11.4mA 100kΩ

0.6V 100 12V

R V β V

I

B CC BE DC

C(2)

⎟ =

⎠

⎜ ⎞

⎝

⎛ −

⎟⎟ =

⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ −

=

(2)

β_DC =100, V_BE = 0.6V 일 때

5.62V )

Ω 60 (11.4mA)(5 12V

R I V

V

100kΩ R

C C CC CE(2)

B

=

−

=

−

=

⎠

⎠ ⎝

⎝

(1)Æ(2)로 변할 때 I_C와 V_CE 백분율 변화

18.6%

9.61mA 100%

9.61mA 11.4mA

(%)

∆I

_C

⎟ =

⎠

⎜ ⎞

⎝

⎛ −

=

(1)Æ(2)로 변할 때 I_C와 V_CE 백분율 변화

⎞

⎛

증가

-15.1%

6.62V 100%

6.62V 5.62V

(%)

V

_CE

⎟ =

⎠

⎜ ⎞

⎝

⎛ −

=

감소

Yun SeopYu

5-3 다른 종류의 바이어스 방법

E E BE

B B EE

E E BE

B B EE

R I V

R I V

-

0 R

I V

R I V

+ +

=

= +

+ 이미터 바이어스 +

DC E DC

B C E

C

β

I β

I I ,

I

I ⎟⎟

⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ ≈ = ≈

BE E

E B

DC EE E

R

V R

I β R

V I -

⎞

⎛

+ +

=

E EE

E E DC

BE B EE

V V

-

I β R

V R V

-

−

⎟⎟ ⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ +

=

−

C DC E

B

BE

E EE

I

β R

R V

I V ≈

+

=

V_EE < 0

BE B E

E E EE

E

V V

V

R I V

V

+

=

+

=

R I V

R I V

V V

V

E E C EE

C CC

C E CE

−

−

−

=

−

=

16

C C CC

C

BE B E

R I V

V

V V

V

−

=

+

) R (R

I V

V

R I V

R I V

C E EE C

CC

E E C EE

C CC

+

−

−

=

Yun SeopYu

5-3 다른 종류의 바이어스 방법

이미터 바이어스의 안정도

V V

E DC

B

BE E EE

C

R β R

V V

I -

I +

= −

≈ /

온도 변화 Æ β_DC, V_BE 변화 Æ 불안정 안정화 조건

z R >> R /β Æ β 에 의한 영향 없어짐

z R_E >> R_B/β_DC Æ β_DC 에 의한 영향 없어짐

z V_EE >> VBE Æ V_BE 에 의한 영향 없어짐

E E EE

C

R

V I -

I ≈ =

Yun SeopYu

5-3 다른 종류의 바이어스 방법

에 따른 Q값 (I V )변화?

V

_CC Ex.5-7

A.

Q.

^βDC 에 따른 Q값 (I_C, V_CE)변화?

단, β_DC :100Æ200

(1)

β 100 일 때 +15 V

1.37mA /85

kΩ 10kΩ

0.7V 15V)

( /β

R R

V I V

I

DC E B

BE E EE

C(1)

=

+

−

−

= − +

= −

≈ 47

(1)

β_DC =100 일 때

1.3V )

0kΩ (1.37mA)(1

15V R

I V V

8.56V )

.7kΩ (1.37mA)(4

15V R

I V V

E E EE E

C C CC C

−

= +

−

= +

=

=

−

=

−

=

9 83V 1 3V)

( 8 56V V

V V

47 kΩ 9.83V

1.3V) (

8.56V V

V

V_CE(1) = _C − _E = − − =

1 38 A 0.7V

V) V (

I V

I

^EE

−

^BE

− − 15 −

(2)

β_DC =200 일 때

1 2V )

0kΩ (1 38 A)(1

15V R

I V

V

8.51V )

.7kΩ (1.38mA)(4

15V R

I V

V

1.38mA /100

47kΩ 10kΩ

0.7V V)

( /β

R R

V I V

I

C C CC C

DC B E

BE E EE

C(2)

=

−

=

−

=

+ = + =

=

≈ 15

-15 V

1.2V

) 0kΩ (1.38mA)(1

15V R

I V

V

_E

=

_EE

+

_{E E}

= − + = −

9.71V 1.2V)

( 8.51V V

V

V

_CE(2)

=

_C

−

_E

= − − =

(1)Æ(2)로 변할 때 I 와 V 백분율 변화

0.73%

18

1.37mA 100%

1.37mA 1.38mA

(%)

∆I

_C

⎟ =

⎠

⎜ ⎞

⎝

⎛ −

=

(1)Æ(2)로 변할 때 I_C와 V_CE 백분율 변화

-1.22%

9.83V 100%

9.83V 9.71V

(%)

V

_CE

⎟ =

⎠

⎜ ⎞

⎝

⎛ −

=

Yun SeopYu

5-3 다른 종류의 바이어스 방법

컬렉터 귀환 바이어스

특징: negative feedback

Æ Q점 안정화 하려는 오프셋 효과 발생 ^{CC C C}

C B C CC

C

R I V

)R I (I V

V

−

≈

+

−

= Æ Q점 안정화 하려는 오프셋 효과 발생

I

_C

↑ Æ I

_C

R

_C

↑ Æ V

_C

↓ Æ R

_B

양단의 전압강하 ↓

BE C

C CC

B C BE C CC B

C BE B

V R

I V

R

V R

I V

R V I V

−

−

−

= −

= −

C C C C B

Æ I

_B

↓ Æ I

_C

↓ Æ I

_C

R

_C

↓ Æ V

_C

↑

BE C CC

DC B

BE C

C B CC

DC C

/ V I V

β R

V R

I I V

β I

= −

⇒

=

= /

C C CC CE

DC B C

C

R I V

V

/β R I R

−

=

⇒ +

안정도 안정도

온도 영향의 최소화 : V_CC >> V_BE, R_C >> R_B/β_DC 온도 증가

온도 증가

β_DC ↑, V_BE ↓ Æ I_C ↑, I_B ↑ Æ I_C ↑ ÆV_C ↓ Æ I_B ↓

Æ I_C ↓ Î V_CE 유지 상호영향을 감쇄시킴

Yun SeopYu

5-3 다른 종류의 바이어스 방법

Ex.5-10Text

Q.

_{Q점의 값 (IC, VCE)을 구하라.}

A.

A 0.7V 788μ

10V V

I V

^CC

−

^BE

−

2.12V )

kΩ )(10 A

(788μ 10V

R I V

V

A /100 788μ

180kΩ 10kΩ

/β R I R

C C CC

CE

DC B

C

BE C CC

=

−

=

−

=

+ = + =

=

180 kΩ 180 kΩ

20

Yun SeopYu

Homework

All Examples

Selected Problems(P.260- 261): 9 10 16 17 18

261): 9, 10, 16, 17, 18,

19, 21, 24, 25, 26

Yun SeopYu

22

Yun SeopYu

Ch 6 Ch. 6

BJT Amplifiers

BJT Amplifiers

Yun SeopYu

0-5.(복습) 증폭기 (amplifier)

참고:

Yun SeopYu

0-5. (복습) 증폭기 (amplifier)

이득과 전달특성곡선 (transfer characteristics curve)

3

Yun SeopYu

0-5. (복습) 증폭기 (amplifier)

증폭기 이득의 표현 방식 – 데시벨 (dB)

Yun SeopYu

6-1 증폭기의 동작

교류량

DC: I_C, I_B, V_C, V_B , R_E …..

AC 실효값 첨두값 첨두간 전압 전류 I I V V R AC: 실효값, 첨두값, 첨두간 전압, 전류….. I_c, I_b, V_c, V_b , R_e ..

순시값: i_c, i_b, v_c, v_b …..

첨두값 평균값

실효값 첨두값

첨두간 전압

5

Yun SeopYu

6-1 증폭기의 동작

호

소신호 증폭기

C C C DC 차단 C

₁

, C

₂

, C

₃

: DC 차단

(결합 캐패시터)

Yun SeopYu

6-1 증폭기의 동작

그래프 해석

7

Yun SeopYu

6-1 증폭기의 동작

Ex.6-1

Q. 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

Yun SeopYu

6-2 트랜지스터 교류 등가회로

r parameter의 등가회로

r′_c : 교류 컬렉터 저항 - 수백 kΩ => open

′ 교류 베이스저항 ll 무시가능

r′_b : 교류 베이스저항 - small => 무시가능

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

r 파라미터 등가회로

단순화된 r 파라미터 등가회로

E

e

I

r' = 25mV

I

_b

I

_e

Q. ^I

_E

^=2mA, r′ _e ^?

Ex 6-2

25mV 25mV

9

A.

Ex.6-2

12.5Ω 2mA

25mV I

r' 25mV

E

e

= = =

Yun SeopYu

6-2 트랜지스터 교류 등가회로

식에 의한 r′

_e

정의

PN 접합 I_E = I_R(e^qV/kT – 1)

E

PN 접합 I_E I_R(e 1)

z q/kT = 40 (상온에서)

I_E = I_R(e^40V – 1) = I_Re^40V – I_R

^r'

^e I_E + I_R = I_Re^40V

미분 dI_E = (40I_Re^40V)dV

dI /dV =40I e^40V = 40(I + I ) ≈ 40I

B

dI_E/dV =40I_Re^40V = 40(I_E + I_R) ≈ 40I_E Å I_E >> I_R

r′_e = dV/dI_E = 1/40I_E =25mV/I_E

β

_ac

I

_b

C

Yun SeopYu

6-2 트랜지스터 교류 등가회로

직류 β (β

_DC

)와 교류 β(β

_ac

) I

_c

/I

_e

직류 α (α_DC)와 교류 α (α_ac) I_c/I_b의 관계도 마찬가지…

11