[반도체소자] 트랜지스터의 증폭회로

 

 

 

 

 

트랜지스터를 아래와 같이 전압을 걸고 사용하지 않는다. 베이스 전류Ib가 통제없이 많이 흐르므로 콜렉터전류Ic는 포화상태로 흐르게 된다.                 신호를 증폭하기위해서는 아래와 같이 베이스 전류 제한용 저항기를 달아 적당한 전류가 흐르게 한다. 이를 바이어스(BIAS) 전류라고 하며 동작점이라고 한다.   또한 콜렉터에도 저항기를 달아 콜렉터 전류 변화에 따른 전압 변화분을 검출한다. Rc 양단에 걸리는 전압 Vrc=Rc*Ic 이며 (Ohm의공식:V=I*R) 전류의 변화분 만큼 전압이 Rc에 걸리므로 Vcc-Vrc한 값이 콜렉터에 걸리며, 이것이 증폭된 출력전압 Vout 이다. 이 저항기(Rc)를부하저항기(RL)라고 한다.             베이스와 에미터는PN접합 다이오드의 구조와 같으므로, Vbb를 조정하여 Ib를 높여가면 약 0.5V에서 부터 베이스전류가 흐르기 시작한다.     0.6V 까지는 전압이 증가해도 절연층(전위장벽)에 의해 전류가 쬐끔씩 증가하지만 그 이상 부터는 급격히 증가한다.이것을 트랜지스터의 입력특성곡선이라고 한다.           선형구간의가운쯤인 0.8V의 전압을 베이스에 가하였을 때, 110uA의 베이스 전류가 0.2V 정도의 신호전압에 의해60~120uA로 변화한다. 물론 트랜지스터 종류마다 그 값이 다르나 모양과 원리는 거의 같다.     이 베이스전류에 의한 콜렉터전류 변화분이 트랜지스터의 증폭율이되고 출력특성곡선에서 해당되는 콜렉터 전류의 변화분을 사용전압에 맞추어 알아볼 수 있다.     바이어스 전압이 낮으면 신호전압의 아래(낮은쪽)가 비선형 구간으로 들어가 증폭되지않고, 반대로 높으면 신호전압의 위(높은쪽)가 전류포화 영역으로 들어가 증폭되지 못하고 컷팅 된다. 때문에 동작점은 신호폭과 온도에 따라 변화하는 변동폭을 고려하여 결정해야한다.       베이스 전류가흐르면 그값에 비례하는 콜렉터 전류가 흐르게 된다. 베이스 층의 소재와 모양, 두께에 따라서 일정한 베이스 전류에 대한 콜렉터 전류값이 달라진다.   이를 전류 증폭율이라고 하며, 수많은 트랜지스터마다 그값이 다르고, 같은 트랜지스터 라고 하더라도 미소한 차이가 있다.     아래의 특성표를 보면, 베이스전류가 30에서 50uA로 변할때 콜렉터 전류는 8에서 14mA 만큼 증가된다. 이 트랜지스터의 직류증폭율은콜렉터 전류변화분/베이스전류변화분 으로 6mA/20uA 이며 단위를 uA로통일시키면 6000/20 이되므로 300배의 증폭율을 가진 트랜지스터이다. 전압이 두배인 12V 경우에는 증폭도가 두배가 아니고 조금올라간다.     즉, 구동(사용 혹은 콜렉터))전압은 증폭도에 기여하지 않으며 증폭도는 해당 트랜지스터 에 사용된N형, P형 반도체의 물성과 서로 결합된 형상에 의해 정해진다.이와같은 특성을 트랜지스터의출력특성곡선이라고한다. 그래프가 수평에 가까울수록 콜렉터 전압변동에 따른 파형 왜곡이 적다. 즉 출력 특성이 좋은 것이다.             복잡한 회로에서일일이 Vcc+와 Vcc-에 선을 잇는것이 번거롭고 회로를 복잡하게 하므로 Vcc 는 한곳에 따로 그려두고 회로에서는 화살표와 문자로 표현한다. 우선 Vcc를 생략해보면 아래와 같이된다.             내친김에Vbb도 Vcc에서 가져오는 대신에 전류를 작게하기 위하여 Rb를 Rc보다 훨씬 큰값으로 해야 한다. 이러한 방식은 바이어스 전류가 고정 되므로 고정바이어스라고 한다.     Vcc-도 전압표시의 기준점이 되므로 그라운드(GND:Ground) 혹은 모든 소자의 공통 기준점 이므로 공통(COMM: Common) 이라고 한다.           반도체는 열에 민감하다고 하였는데, 좀 더 구체적으로 예기하면 추울때 에는 바이어스 전류가 작게 흐르고, 더울 때에는 많이 흐른다. 동작점이 바뀐다는 것이다.     이를 막기위하여 에미터에 저항기를 달아주면 온도변화에 따른 작은 베이스 전류 변화분에 대하여 증폭율 만큼 증폭된 콜렉터 전류가 에미터 저항기의 에미터쪽 전압을 높게 하므로 베이스전류가 흐르기 어려워진다. 온도 보상 회로이다.         위의 온도 보상회로는 바이어스 전류 증가분만 막는것이 아니고, 증폭된 신호전류까지 제한받게한다. 신호전류는 직류보다 주파수가 높으므로 높은 주파수에서는 저항값이 작아지는 콘데서를 에미터 저항기에 병열로 달아서 통과(By-Pass) 시킨다.   이런용도의 콘덴서를바이패스 콘덴서라고 한다. 이렇게되면 직류바이어스의 변동분은 보상되고 신호전류는 트랜지스터의 증폭도 가까이 증폭된다.     Vcc 가 10V, 증폭도가 100 인 트랜지스터의 경우로 간략히 계산해보면, Rb=1MΩ 이므로 Ib=10V/1MΩ 이므로 10uA 흐른다. 증폭도가 100 이므로 Ic는 1000uA, 즉 1mA 흐른다. 여기서 Rc=4,7KΩ 이므로 양단에 걸리는 전압은 V=I*R 이므로 4.7V 정도 걸린다.     그러면 출력전압 Vout 은 공급전압 10V에서 4.7V를 뺀 5.3V가 나온다. (Re에 걸리는 전압과 효과는 차후에 생각하기로 하고) 이상태에서 입력단에 신호전류를 넣어주면 Ib 가 변화하고 이는 Ic를 변화 시키므로 출력전압 Vout는 입력신호의 100배 만큼 5.3V에서 변화(가감)한다.             바이어스 전류는직류이며, 반드시 베이스로만 흘러야 한다. 하지만 입력단에 신호원을 연결하면 그쪽으로 빠져 나가기 때문에 바이어스 자체가 흔들린다. 이를 막기 위하여 입력단에Cin을 달아서 신호는 들어오고, 바이어스가 빠져나가는 것을 막아준다. 이런 용도의 콘덴서를 커플링(Coupling)콘덴서라고 한다.     출력단의Cout도 같은 용도이다. 높은 콜렉터 전압이 다음단 회로의 바이어스 전압에 영향을 주지 않도록 달아준다. 그러면 높는 직류 콜렉터 저압은 차단되고 증폭된 교류 신호 전압만 다음 단으로 넘어가게 된다. 이것도 커플링(Coupling)콘덴서라고 한다.     GND나 COMMON은 일반적으로 표기하지 않으므로 이후부터 생략하기로 한다. 몇가지 다른 기호가 있지만 보면 금방 알 수 있다. 접지는 그냥 단순히 공통전원 중의 하나가 아니다.     접지는 기준점이므로 사람이나 기업으로 치면 투명하고 맑아야 한다. 이것이 오염되어 있으면 신호 전압이 오염도와 함께 증폭된다. 이것을 노이즈(NOISE)라고 한다. 까다로운 부분이다. 이것을 예기할 때 접지기호를 다시 정리 하기로 한다. (오염도는 전압의 청결도를 의미 함)     트랜지스터는 다리(PIN)가 3개이다. 그중의 어느것이 에미터이고 베이스이며 콜렉터인지는 데이타 시트를 보아야 알수 있다. 그 시트에는 입/출력특성곡선 및 스펙과 각종 정격들, 증폭율 등이 나와 있으므로 설계시 반드시 참조해야한다.

 

 

출처: http://blog.naver.com/tksvo?Redirect=Log&logNo=150072374619