[트랜지스터 증폭기 회로] 트랜지스터의 소신호 증폭기 - 공통 에미터(emitter) 증폭기

 

 

양극 접합트랜지스터를 이용한 소신호 증폭기

 

 

 

양극 접합트랜지스터를 이용한 증폭기는 공통으로 사용하는 단자에 따라 공통 에미터(이미터), 공통 베이서, 공통 콜렉터 증폭회로가 있다.

 

-. 공통 에미터(이미터) 증폭기는 전압증폭기(voltage amplifier)로 널리 사용되고 있다. 

베이스 단자로 입력신호가 들어가고, 콜렉터 단자로 출력신호가 나온다. 에미터(이미터) 단자는 공통(접지 또는 전원연결)으로 사용한다.

 

-. 공통 베이스 증폭기에서는 에미터(이미터) 단자로 입력신호가 들어가고 콜렉터 단자로 출력신호가 나온다. 베이스 단자는 공통으로 사용한다.

 

-. 공통 콜렉터 증폭기에서는 베이스 단자로 입력신호가 들어가고 에미터(이미터) 단자로 출력신호가 나온다.

콜렉터 단자는 공통으로 사용된다. 이 증폭기의 전압 증폭률은 1에 가깝다. 베이스 전압의 변화가 에미터(이미터) 전압에 바로 전달되어, 에미터 따라가기 회로(emitter follower)라고도 부른다.

 

 

 

세 종류의 양극 접합트랜지스터 증폭기

 

 

 

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공통 에미터(common-emitter, CE) 증폭기

 

 

공통 에미터 증폭기에서는 위에서 말했듯이 베이스 단자로 입력 신호가 들어가고, 콜렉터 단자로 출력신호가 나온다. 그리고 에미터 단자는 공통(접지 또는 전원연결) 으로 사용한다. 그리고 전압 증폭기로 가장 널리 사용되고 있다.

 

여러가지 바이어스 회로에 대한 소신호(small signal) 증폭 해석에 대해 공부해보자.

 

1. 고정 바이어스 회로 증폭기

 

 

공통 emitter 고정 바이어스 증폭 회로

 

고정 바이어스 형태로 바이어싱된 증폭회로이다.

 

 

 

위 증폭회로에서 직류전원을 없애고 축전기를 제거한 후 트랜지스터를 소신호 모델로 대체한 그림이다. (회로에서 빨간색으로 둘러싸인 부분)

 

입력 임피던스는(베이스 단자쪽) R_B와 βr_e 가 병렬로 연결되어 있으므로 Z_i = (R_B || βr_e) 로 주어진다.

여기서 βr_e ≫ R_B 인 경우, 입력 임피던스 Z_i ≒ βr_e 로 된다.

 

출력 임피던스도(콜렉터 단자쪽) 보면 R_C와 r_o가 병렬로 연결되어 있으므로 Z_o = (R_C || r_o) 인데 여기서 r_o가 클 경우, 출력 임피던스 Z_o ≒ R_C 이다.

 

여기서 입력 임피던스란 신호원의 저항을 제외하고 연결된 총 저항을 말하고,

출력 임피던스란 부하저항을 제외하고 출력단에 연결된 총 저항을 말하는 것이다.

 

출력 v_o 는 v_o = -βi_b(R_C || r_o) 로 주어진다. 여기서 i_b = v_i/(βr_e) 이므로 전압 증폭률 A_v은 아래와 같이 구할 수 있다.

 

 

여기서 r_o가 R_C 보다 아주 큰 경우(r_o ≫ R_C) 위 식은 A_v = -R_C/r_e 와 같이 표현된다.

 

 

 

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2. 우회(bypass) 축전기가 있는 전압나누기 바이어스 회로 증폭기

 

 

공통 emitter 전압나누기 바이어스 회로 증폭기

 

우회(bypass) 축전기가 있는 전압나누기 바이어스 형태로 바이어싱된 증폭회로이다.

 

 

bypass 축전기가 있는 전압나누기 바이어스 증폭기

 

 

위 증폭회로에서 직류전원을 없애고 축전기를 제거한 후 트랜지스터를 소신호 모델로 대체한 그림이다. (회로에서 빨간색으로 둘러싸인 부분)

 

여기서 C_E가 충분히 큰 경우 교류 임피던스 (1/ωC_E)가 저항 R_E 보다 훨씩 작으므로 저항은 short 시킬 수 있다.

 

전압나누기 바이어스 증폭기는 R_B = (R1 || R2)로 두면 기본적으로 고정바이어스 증폭회로와 등가회로가 동일하다.

따라서 증폭률도 동일하게 쓸 수 있다.

 

 

 

 

 

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3. 우회 축전기가 없는 전압나누기 바이어스 회로 증폭기

 

 

공통 emitter 전압나누기 바이어스 회로 증폭기(bypass 없는)

 

 

우회 축전기가 없는 전압나누기 바이어스 형태로 바이어싱 된 증폭 회로이다.

 

 

bypass 축전기가 없는 전압나누기 바이어스 증폭기

 

위 증폭회로에서 직류전원을 없애고 축전기를 제거한 후 트랜지스터를 소신호 모델로 대체한 그림이다. (회로에서 빨간색으로 둘러싸인 부분)

 

이 회로의 경우 우회 축전기가 없기 때문에 등가회로에 R_E가 연결되어 있다.

 

입력 부분에 Kirchoff 법칙을 적용하면 아래와 같다.

 

 

그리고 β ≫ 1 이고 r_e가 R_E에 비해 아주 작은 경우 v_i ≒ β*R_E 와 같이 근사가 된다.

이에 따라 임피던스Z_b를 Z_b = v_i/i_b ≒ β*R_E 라고 구할 수 있다.

 

결과적으로 입력 임피던스 Z_i ≒ (R_B || β*R_E)와 같이 주어진다. 

출력 임피던스는 Z_o = (r_o || R_C)와 같이 주어진다. 그리고 r_o가 클 경우 Z_o ≒ R_C 이다. 

 

출력은 r_o가 충분히 큰 값인 경우 v_o = -β*(i_b)(R_C)로 주어진다. 입력 부분에 Kirchoff 법칙을 적용하여 구한 식을 i_b에 대해 다시 정리하여 이 출력값에 대입하면 아래와 같다. (β ≫ 1 인 경우)

 

 

 

 

이 출력 값에서 r_e가 R_E 보다 작다고 가정하면 전압 증폭률은 아래와 같이 구할 수 있다.

 

 

 

 

전압 증폭률 A_v이 트랜지스터의 특성 값에 의존하지 않음을 볼 수 있다.

즉, 전압 증폭률은 사용한 저항 R_C와 R_E에만 관련이 되어있다.

 

 

 

 

 

 

 

 

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