[트랜지스터의 바이어스 회로] 공통 에미터 바이어스 회로 - 1

 

 

[트랜지스터의 바이어스 회로] 양극 접합트랜지스터의 바이어스 회로 글에서

온도에 따른 트랜지스터의 특성값에 변화에 대해 트랜지스터의 동작점이 변하지 않도록 dc 바이어싱 해야 함을 공부했다. 이 점을 유의하면서 트랜지스터를 어떻게 dc 바이어싱 하는지 공부해보자.

 

1) 고정 바이어스 회로

2) 콜렉터 되먹임 바이어스 회로

3) 전압 나누기 바이어스 회로

 

공통 에미터 바이어스 회로

 

 

 

공통 에미터 증폭기가 전압증폭기로 널리 사용되고 있다. 아래에서는 공통 에미터 증폭기를 위한 여러 가지 바이어스 회로에 대해 공부해보자.

 

공통 에미터 증폭기에서는 입력신호 v_i는 베이스로 들어가고 출력신호 v_o는 콜렉터로 나온다. 에미터는 접지로써 공통이다.

 

 

(1) 고정 바이어스 회로

 

 

 

공통 에미터 바이어스 회로 - 고정 바이어스 회로

 

 

 

 

고정 바이어스(base bias 또는 fixed bias)는 이전 글의 'npn 양극 접합트랜지스터의 dc 바이어스 회로' 그림에서 베이스에 연결된 전원을 없애고 이를 저항 R_B를 통해서 Vcc에 연결하는 것이다. 

 

이 고정 바이어스 회로에서 입력 부분에 Kirchoff 법칙을 적용하면

 

 

 

 

로 베이스 전류 I_B를 정리할 수 있다.

 

V_BE(실리콘의 경우 0.7V)는 크게 변하지 않으므로 Vcc와 R_B를 정하면 베이스 전류는 고정된다. 그래서 위 회로를 고정 바이어스 회로라고 한다.

 

그리고 콜렉터 전류 Ic = β*(베이스 전류) 이므로 위 식을 이용해서 아래와 같이 정리할 수 있다.

 

 

 

출력 부분에 Kirchoff 법칙을 적용하면 

 

 

 

으로 전압을 정리할 수 있다. 이 식은 이전 글에서 보았던 dc 부하선(load line) 식이기도 하다.

 

트랜지스터마다 β 가 차이가 나고, 또한 β는 온도에 따라 변할 수 있는 값이므로 고정 바이어스 회로는 온도에 따른 바이어스의 안정성이 떨어진다. (콜렉터 전류 Ic는 β에 의존)

 

이러한 단점 때문에 고정바이어스 회로는 전류원으로 트랜지스터를 사용할 경우에는 거의 사용되지 않는다. 반면에 트랜지스터를 스위칭으로 사용할 경우에는 유용한 바이어스 회로이다.

 

 

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dc 부하선은 주어진 회로에서 모든 가능한 Ic 와 V_CE의 조합을 보여준다. 

 

 

 

고정 바이어스의 dc 부하선

 

 

 

그 중에서 V_CE와 Ic 축에서 만나는 점들을 보자.

 

1. 부하선이 V_CE와 만나는 점은 Ic = 0 이 되는 차단점(cut-off)의 경우이므로 V_CE(off) = Vcc 이다.

 

2. 부하선이 Ic 축과 만나는 점은 V_CE = 0 이 되는 포화점(saturation)의 경우이므로 Ic(sat) = Vcc / Rc 이다.

 

따라서 부하선은 두 점을 이은 직선으로써 그 기울기는 -1/Rc 가 된다.

 

 

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공통 에미터 바이어스 회로 - 에미터 되먹임 바이어스 회로

 

 

 

이 회로는 고정 바이어스 회로에서 에미터에 저항 R_E를 연결한 바이어스 회로이다.

이 저항의 연결에 의해 트랜지스터의 교체나 온도에 따른 β의 변화에 대해 고정 바이어스보다 훨씬 안정성 있는 바이어스 회로를 구성할 수 있다.

 

저항 R_E는 음의 되먹임(negative feedback)의 효과에 의해 Q점을 안정화 시킨다.

 

입력 부분에 Kirchoff 법칙을 적용하면

 

 

 

 

으로 정리할 수 있다.

 

여기서 V_BE가 일정하다고 할 때, 온도에 의해 β가 증가하면 콜렉터 전류 Ic가 증가한다. 

여기서 콜렉터 전류 Ic = α*(I_E) ≒ I_E 이므로 에미터 전류 I_E도 증가하게 된다.

 

 

 

 

이에 따라 위의 식에서 Vcc값이 정해져 있을 때 V_BE는 일정하다고 가정했으므로, I_E * R_E의 값이 증가하면 I_B * R_B 값이 감소하게 된다. 

따라서 베이스 전류의 감소에 따라 콜렉터 전류도 감소하게 되므로 동작점이 안정화된다.

 

트랜지스터를 바꿀 경우에도 β가 변하게 되는데 이때에도 위에서 언급한 과정에 의해 동작점이 안정된다.

 

Kirchoff 법칙을 적용한 식을 베이스 전류로 정리하면 아래와 같다.

 

 

 

 

여기서 (β+1)*R_E 항은 입력에서 보는 에미터 저항 R_E를 나타낸다.

 

 Ic = β*(베이스 전류) 이므로 다시 콜렉터 전류에 대해 정라하면 아래와 같다.

 

 

 

 

이렇게 근사식이 성립하는 조건은 (β+1)*R_E ≫ R_B 이다. 이 조건을 만족하는 경우 콜렉터 전류는 β에 무관하게 되어 동작점이 안정화 된다.

즉 에미터 저항 R_E를 큰 것을 사용하거나 베이스 저항 R_B를 작은 것을 사용하면 된다.

 

-. 에미터 저항 R_E가 큰 경우 분모에 들어있는 항이므로 Vcc를 큰 값을 사용해야 한다. 

 

-. 베이스 저항 R_B가 작은 경우 바이어스 회로에는 두 개의 다른 전원을 사용해야 하는 불편이 있다. 

 

 

출력 부분에 Kirchoff 법칙을 적용하면

 

 

 

 

으로 정리할 수 있다. 

이에 따라 V_CE = 0인 포화점의 전류는 

 

 

으로 구할 수 있다.

 

 

에미터 되먹임 바이어스 회로의 부하선

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 '과학도를 위한 반도체와 전자회로의 기초' 책을 공부하여 작성 하였습니다.