양극 접합트랜지스터의 바이어스 회로
양극 접합트랜지스터를 증폭기에 사용하기 위해서는 활동영역(active mode, 활동모드)에서 작동하도록 해야 한다.
*******참고*******
1. 두 접합 모두 순바이어스를 하는 경우 (포화모드)
2. 두 접합 모두 역바이어스를 하는 경우 (차단모드)
3, 4. 하나를 순바이어스, 다른 하나는 역바이어스를 하는 경우 (활동, 역활동 모드)
V_EB : 에미터 - 베이스 전압
V_CB : 베이스 - 콜렉터 전압
******************
이에 따라 베이스-에미터 접합은 순바이어스, 베이스-콜렉터 접합은 역바이어스로 dc전원을 공급해 주어야 한다.
그리고 실리콘으로 만든 트랜지스터의 베이스-에미터 접합에는 0.7V 이상의 전압이 주어져야 트랜지스터가 on 상태가 된다. ([다이오드] 다이오드 회로 & 모델 참고)
pnp와 npn 양극 접합 트랜지스터 각각에 대해 순바이어스란 p쪽이 더 + 전압이 되도록 전원을 공급하는 것이고, 역바이어스란 n쪽이 더 +전압이 되도록 전원을 공급하는 것이다.
FET(Field Effect Transistor, 장 효과 트랜지스터)의 경우에도 캐리어가 이동하기 위해서는 채널이 형성되도록 외부 전원이 게이트에 공급되어야 하고, 드레인-소스 사이에도 전원의 공급이 필요하다.
이와 같이 트랜지스터의 동작을 위해서는 외부 dc 전원이 공급되어야 한다.
트랜지스터가 작동하도록 dc 전원을 공급하는 것을 dc biasing(dc 바이어싱) 이라고 한다.
신호의 증폭에서 입력신호가 전체적으로 고르게 증폭되어 출력되도록 하기 위해서는 dc 바이어싱에서 여러가지 고려해야 할 점이 있다.
양극 접합트랜지스터를 이용한 증폭기는 공통으로 사용하는 단자에 따라 공통 에미터, 공통 베이스, 공통 콜렉터 증폭회로가 있다.
-. 공통 에미터 증폭기에서는 베이스 단자로 입력신호가 들어가고 콜렉터 단자로 출력신호가 나온다. 에미터 단자는 공통(접지 또는 전원연결)으로 사용한다. 공통 에미터 증폭기가 전압 증폭기로 가장 널리 사용되고 있다.
-. 공통 베이스 증폭기에서는 에미터 단자로 입력신호가 들어가고 콜렉터 단자로 출력신호가 나온다. 베이스는 공통으로 사용한다. 이 증폭기는 전류 버퍼(current buffer)나 전압 증폭에 사용된다. 증폭기의 전류 증폭률은 1에 가깝다.
-. 공통 콜렉터 증폭기에서는 베이스 단자로 입력신호가 들어가고 에미터 단자로 출력신호가 나온다. 콜렉터 단자는 공통으로 사용된다. 공통 콜렉터 증폭기의 전압 증폭률은 1에 가깝니다.
이에 따라 베이스 전압의 변화는 에미터 전압에 바로 전달된다. 그래서 공통 콜렉터 증폭기를 에미터 따라가기 회로(emitter follower)라고도 부른다.
이렇게 3가지 종류의 증폭기에 dc 바이어싱을 어떻게 하는지 공부해보자.
npn 양극 트랜지스터에 베이스-에미터 접합에는 순바이어스를, 베이스-콜렉터 접합에는 역바이어스가 되도록 dc 바이어싱을 한 예시이다. 이런 바이어싱은 전원이 두 개가 들어가기 때문에 실제로 사용하는 바이어스 회로는 아니다.
양극 접합트랜지스터 증폭기에서는 입력과 출력에 직류를 차단하기 위한 축전기가 연결되어있는데 dc 바이어스 회로 분석에서는 이 축전기를 무시할 수 있다.
직류에 대해서 축전기의 임피던스가 무한대가 되므로 열린회로(open circuit)와 동일하기 때문이다.
트랜지스터를 증폭기로 이용하는 경우, 작은 입력신호가 큰 출력신호로 관찰된다. 이때 신호증폭의 과정에서 새로운 에너지가 생성되는 것은 아니다. 증폭에너지는 dc 바이어스 전원에서 공급된다.
그림에서 베이스에는 전류원(전원과 저항)에 의해 일정한 전류 I_B가 공급된다. 이 전류는 콜렉터에서 증폭되어 I_C ≒ β*I_B 로 관찰된다. 이때 Vcc 는 콜렉터 회로의 에너지원으로 작용한다.
그리고 증폭하려는 입력신호에 의해 베이스 전류가 ΔI_B 만큼 변하면 콜렉터 전류도 이에 따라 변하게 된다.
또한 이 변화에 저항 Rc에 떨어지는 전압강하가 변하게 되고, 콜렉터-에미터 전압 V_CE도 변하게 된다.
이 관계식은 dc 전원(Vcc)에서 공급되는 일률(power)이 저항에서 소비되는 일률(I_C^2 * R_C)과 트랜지스터(V_CE)에서 소비되는 일률로 구성됨을 보여준다. 또한 두 부분에 분배되는 일률은 베이스 전류 I_B의 값에 따라 변한다는 것을 보여 주고 있다.
위 그림은 트랜지스터의 출력 특성이다. 어떤 베이스 전류 I_B에 대해 V_CE(콜렉터-에미터 전압)에 따른 Ic의 변화를 보여준다.
콜렉터-에미터 전압과 콜렉터 전류간의 관계는 아래 식으로 주어졌었고, 빨간 선으로 그래프에 표시되어 있다.
-. V_CE = 0 이 되는 경우(차단점)
모든 전압이 저항 Rc에만 떨어지는 경우이다. 이것은 콜렉터-에미터가 단락(short circuit) 되는 경우이다. 이 경우 콜렉터 전류는 위 식에서 Ic = Vcc/Rc 로 구할 수 있다.
-. Ic = 0 인 경우(포화점)
모든 전압이 콜렉터-에미터에만 떨어지는 경우이다. 이때 V_CE = Vcc 이다. 따라서 위 관계식은 표시된 것과 같이 기울기가 -1/Rc 인 직선으로 주어진다. 이 직선을 부하선(load line)이라고 부른다.
이 부하선과 베이스 전류가 I_B 일 때의 출력특성이 만나는 지점을 트랜지스터의 동작점(operating point) 또는 Q점(quiescent point)라고 부른다. Q점에 대해서는 두 가지의 고려할 점이 있다.
1. Q 점을 어디에 정하는가.
트랜지스터를 증폭기에 이용하는 경우 Q 점을 트랜지스터의 출력 특성곡선 상의 활동영역(active region or mode)에 정해야 한다. 그렇지 않을 경우 출력신호가 잘리거나 과열로 인해 트랜지스터가 파괴될 수 있다.
-. 위 그래프의 P1 지점(포화영역에 가까운 지점)에 Q점을 잡을 경우 콜렉터 전류가 커서 계속적인 높은 전류에 의한 열에 의해 트랜지스터가 파괴될 수 있다.
-. P2 지점을 Q점으로 잡을 경우, 출력신호의 진동에 의해 차단영역에 들어갈 수 있다.
-. 그래프의 Q지점에 Q점을 잡을 경우 넓은 활동영역의 V_CE에서 출력신호가 변할 수 있다. 또 Vcc를 모두 이용하기 위해서는 Q점을 Vcc/2 에 두는 것이 유리하다.
위 그림에서는 콜렉터 전류의 변화에 의한 출력신호의 변화를 보여주고 있다. Q를 Q점으로 잡을 경우 입력신호가 들어가서 어떻게 출력으로 나오는지 볼 수 있다.
여기서 콜렉터 전류의 변화는 입력 베이스전류의 변화에 기인한다.
그리고 베이스에 입력되는 신호(증폭하려는 AC 신호)가 +와 -부분이 있을 경우에도 베이스-에미터의 전압은 0.7V 보다 크도록 dc 바이어싱이 되어 있어야 함을 유의하자. (0.7V보다 작으면 트랜지스터가 작동되지 않도록)
예를 들어, 입력신호의 진폭이 2V 인 경우 입력신호는 -2V ~ +2V 사이를 진동한다. 이 경우 베이스-에미터 전압이 2.7V 이상이 되도록 바이어싱이 되어야 한다. 그래야 -2V의 진동에서 베이스-에미터 전압이 0.7V가 되어 트랜지스터가 작동하게 된다.
반면에 출력에 있어서는 Q점을 중심으로 신호가 진동한다. 이 경우 입력신호의 +와 -의 진동에 대해서 출력신호가 포화영역(saturation)이나 차단영역(cut-off)에 들어가지 않아야 한다. 그래야 잘리거나 변형된 출력신호를 얻지 않게 된다.
따라서 Q점을 Vcc/2에 두는 것이 Vcc를 최대한 이용하는 바이어싱이 됨을 알 수 있다.
출력신호는 Q점에서 -Vcc/2 ~ +Vcc/2 까지 진동(swing)이 가능하기 때문이다.
위 그림에서 진동폭을 보면 Q를 Q점으로 잡을 경우 출력신호가 A에서 B까지 진동이 가능한 것을 확인할 수 있다.
반면에 입력신호가 작은 경우 Q점을 부하선의 밑 부분(P2지점)에 두어도 될것이다. 이렇게 해도 전체 신호의 진동폭에 대해서 신호는 여전히 트랜지스터의 활동영역에 있을 수 있고, 또한 콜렉터 전류가 작으므로 작은 값의 전원 Vcc를 사용해도 된다.
즉, 소비되는 전력을 크게 줄일 수 있는 장점이 있다.
그러나 신호의 진폭이 클 경우 P2를 Q점으로 잡으면 신호가 차단영역에 들어가서 출력이 잘릴 수 있다.
2. 트랜지스터의 특성 값인 β, I_CEO 등의 변화 때문에 Q점이 변하는 문제가 있을 수 있다.
트랜지스터의 특성 값은 온도에 민감하기 때문에 온도에 따라 Q점이 변할 수 있다. 100℃의 온도변화에 대해 β는 두 배 정도 변한다.
또한 누설전류 I_CEO도 온도에 민감하다.
따라서 이런 트랜지스터의 특성 값의 변화에 대해 트랜지스터의 동작점이 변하지 않도록 dc바이어싱 할 필요가 있다.
'과학도를 위한 반도체와 전자회로의 기초' 책을 공부하여 작성 하였습니다.
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