트랜지스터(BJT)의 바이어스(2)

이해를 돕기 위해..

스위칭 동작을 제외한 "증폭기" 의 바이어스 에서는 거의 99% 이상이 아래서 설명하는 이미터 저항을 이용한 부궤환 입니다.

외부 온도의 변화 혹은 TR 의 HFE 값 차이 등으로 베이스 전류가 증가하면(이것은 설계자가 원하는 것이 아닙니다) 당연히 이미터와 컬렉터를 통해 부하로 흐르는 전류도 증가하고 이미터 내의 저항에 전압강하가 발생합니다.(즉 바이어스 전류가 설계치를 벗어나게 됨.)

이 전압강하의 방향은 베이스에서 볼때는 역전압(즉, 부궤환) 방향이므로, 결과적으로 베이스의 전류가 줄어들고

이미터 전류의 변동(바이어스 전류)을 억제 시킵니다.

따라서 목적을 달성(환경변화와 부품편차에 따른작동전류-바이어스- 편차) 할 수 있습니다.

한가지 문제는,이미터에 저항기를 설치하면증폭 효율이 떨어지는 것 입니다.

당연한 얘기지만, 이미터 저항에컬렉터로부터 부하를 통한 전류가 흐르면서 손실이 발생하기 때문이지요.

이미터 저항이 높아지면부궤환이 잘되어 안정화는되지만,손실은 점점 더 증가합니다.

다행히도, 우리가 증폭하는 거의 대부분의 신호가 "교류 신호" 이기 때문에, 적어도 교류에 있어서는 이미터 저항이 마치

"없는" 것처럼 할 수 있습니다. 그 일을 하는 것이 바로 이미터 저항(RE)에 병렬로 물려있는 바이패스 커패시터 입니다.

말 그대로 DC 이외의 AC 성분을RE 의 영향을 받지 않도록 바이패스(우회) 시켜 버립니다.

바이어스란 것은 DC 전류 이므로, 이 바이패스 콘덴서의 영향을받지 않습니다. (실제로는 조금 있음)

어쨌건 이 바이어스 방법은 콘덴서 라는 부품이 존재하기에 이용 가능한 트릭 입니다.

요즘은 OP-AMP 를 다들 쓰기 때문에 옛날 얘기가 되어버렸습니다..

중국이 비디오 테잎 시대를거치지 않고 바로 DVD/VCD 가 보급화 되어 버린 것처럼

우리도트랜지스터 시대를아주 짧게 거치고바로 IC 와 디지털화 된 시대에 살게 되서 그런지..

이런기본 자료들에는 관심이 없는 것 같습니다.(TR을그냥 스위치 쯤으로생각)

각설하고 본문 들어갑니다..

이미터-바이어스(전류궤환 바이어스)

이미터 저항 Re 를 이미터 회로에 넣는 것을 아래 보인다, (*주:신호)"퇴보"의 원인이고 또한 부궤환 으로도 알려져 있다.
이것은 온도변화, 저항 정밀도, 베타 변화, 전원 안정성 등에 의한 이미터 전류 Ie 변화에 반대로 작용한다.
전형적인 (*주:설계시의)허용치는 다음과 같다 : 저항-5%, 베타-100-300, 전원-5%.
어째서 이미터 저항기가 전류 변화를 안정화시킬까? Re 의 전압강하 극성은 컬렉터 배터리 Vcc 에 기인한다.
(-)에 가까운 저항 단자는 배터리 단자 (-) 이고, (+) 에 가까운 쪽은 배터리의 (+) 단자 이다.
(*주: 즉 저항 내에 생기는 전압강하를 일종의 배터리로 생각하라는 뜻)
Re 의 (-) 단자가 VBB 배터리를 거쳐 RB 를 통해 베이스에 연결된다는 것에 주목한다.
Re 를 통하는 전류 흐름이 증가하면, 베이스 회로에 전해지는 부전압이 커지고, 베이스 전류가 감소하면 이미터 전류도 감소한다. 감소하는 이미터 전류는 본래의 증가를 부분적으로 보상한다.

Emitter-bias(이미터 바이어스)

위 그림의 베이스-바이어스 배터리 VBB 대신에 Vcc를사용하여 베이스로 바이어스 된것에 유의한다.
낮은 베이스 바이어스 배터리가, 이미터 바이어스에 좀 더 효과적인 것을 나중에볼 것이다.
우리는 베이스-이미터 회로를 통과하는 폐회로에 KVL(키르히호프법칙) 계산식을 쓴다(부품의 극성에 주의한다)

우리는 이미터 전류 IE 의 값을 얻기 위해 IB=IE/B 를 대용하여 해결한다.

위 그림에서 RB emitter-bias 계산식으로 RB 값을 얻을 수 있다.

위 그림의 계산식(RB emitter-bias 와 IE emitter-bias)을 적용하기 전에 우리는 Rc 와 RE 의 값을 선택할 필요가 있다.
Rc 는 컬렉터 전원 Vcc 와 목적하는 컬렉터 전류 Ic 와 관련이 있고, 우리는 그것이 이미터 전류 Ie 와 비슷하다고 가정한다.
보통 Vc 바이어스 점(point)은 Vcc 의 절반 지점에 설정한다. 하지만 이미터 저항 Re 의 전압강하를 보상하기 위해 높게 설정할 수도 있다. 우리의 필요에 따라 컬렉터 전류 값을 지정한다. 범위는 마이크로 암페어 에서 (수)암페어 까지 트랜지스터 규격과 응용에 따라 다르다. 우리는 보통의 소신호 회로에서 Ic = 1mA 를 선택한다. 우리는 Rc 값을 계산하고 가까운 표준 값을 선택한다. 컬렉터 부하 저항의 10~50% 인 이미터 저항기는 일반적으로 잘 작동한다.

VBB=VCC=10V 에서 베이스-바이어스를 설정한 첫번째 예제에서 왜 낮은 전압이 바람직 한것인지 보인다.
베이스-바이어스 저항기 RB 의 필요한 값을 결정한다. 표준 저항값을 선택한다.

B=100 과 B=300 에서의 이미터전류를 계산한다. 앞서의 바이어스 회로 전류의 안정성과 비교한다.

B=100, Ie=1.01mA 에서 883K 저항이 RB 로 계산되었고, 870K 가 선택됐다.

B=300 의 이미터 전류를 아래 테이블에 보인다.

Emitter current comparison for B=100, B=300 (전류증폭률 100, 300 에서의 이미터 전류 비교)

Bias circuit	IC β=100	IC β=300
base-bias	1.02mA	3.07mA
collector feedback bias	0.989mA	1.48mA
emitter-bias, VBB=10V	1.01mA	2.76mA

VBB=10V 의 결과값을 보면, 이미터-바이어스는 이미터 전류 안정화에 매우 좋은 것이 아니다.
이미터 바이어스 예제는 이전의 베이스 바이어스 예제보다는 낫지만 큰 차이는 없다.
이미터-바이어스 효과의 핵심은 이미터 바이어스 양(amount)에 근접한 낮은 베이스 전원 VBB 이다.

우리는 얼마의 이미터 바이어스가필요 할까? 그것은 이미터전류와 이미터 저항의 곱이다(IeRe=1mA*470=0.47V)
부가적으로, 우리는 VBE=0.7V 를 넘기는 것이 필요하다. 따라서, 우리는 VBB > (0.47+0.7)V 또는 > 1.17V 가 필요하다.
만약 이미터 전류가 (설계치를)벗어나면, 이 값은 고정된 베이스 전원 VBB 와 함께 비교되어 변화하고, 베이스 전류 IB 와 이미터 전류 IE를 변경시키는 원인이 된다. VB 가 1.17V 보다 클 때 좋은 값은 2V 이다.

계산된 베이스 저항 83K 는 이전의 883K 보다 훨씬 낮다. 우리는 표준값 목록으로부터 82k 를 선택한다.
B=100 과 B300 에서 82K RB 일때의 이미터 전류를 아래 보인다.

B=100 과 B=300 에서 VBB=2V 일때 이미터-바이어스와 이전 예제의 이미터 전류 비교를 아래 보인다.
우리는 1.75mA 로 꽤 많이 개선된 것을 본다. 하지만 1.48mA 의 컬렉터 궤환 보다 좋은건 아니다.

Emitter current comparison for β=100, β=300.

Bias circuit	IC β=100	IC β=300
base-bias	1.02mA	3.07mA
collector feedback bias	0.989mA	1.48mA
emitter-bias, VBB=10V	1.01mA	2.76mA
emitter-bias, VBB=2V	1.01mA	1.75mA

어떻게 이미터-바이어스의 성능을 개선시킬 수 있을까? 이미터 저항을 증가시키거나, 베이스-바이어스 전원 VBB 를 낮추거나, 또는 양쪽 다 한다. 아래 예제에서 우리는이미터 저항의 두배에 최대한 가까운 910옴의 표준 저항을 쓴다.

계산된 RB=39K 이고, 이것은 표준 저항값이다. B=100 에서의 재계산은 필요 없다. B=300 은,

910 옴 이미터 저항의 이미터-바이어스회로 성능은 매우 개선되었다. 아래 테이블을 본다.

Emitter current comparison for B=100, B=300

Bias circuit	IC β=100	IC β=300
base-bias	1.02mA	3.07mA
collector feedback bias	0.989mA	1.48mA
emitter-bias, VBB=10V	1.01mA	2.76mA
emitter-bias, VBB=2V, RB=470	1.01mA	1.75mA
emitter-bias, VBB=2V, RB=910	1.00mA	1.25mA

실습으로, 베이스 저항 470옴의 이미터 바이어스 예제에서 베이스-바이어스 전원을 1.5V 로 다시 계산한다.

33K 베이스 저항은 표준 값이다, B=100 에서의 이미터 전류는 이미 계산됐고, B=300 에서의 이미터 전류는 :

아래 테이블에서 이전 예제의 결과와 비교해 보인다.

Emitter current comparison for β=100, β=300.

Bias circuit	IC β=100	IC β=300
base-bias	1.02mA	3.07mA
collector feedback bias	0.989mA	1.48mA
emitter-bias, VBB=10V	1.01mA	2.76mA
emitter-bias, VBB=2V, RB=470	1.01mA	1.75mA
emitter-bias, VBB=2V, RB=910	1.00mA	1.25mA
emitter-bias, VBB=1.5V, RB=470	1.00mA	1.38mA

이미터-바이어스 계산식에 이미터 내부저항을 포함시키면 정밀도가 좋아진다(아래 그림).
이미터 내부저항은 트랜지스터 자체의 이미터 회로에 포함되어 있다.
내부저항 REE 는 이미터 저항(외부저항) RE 가 작은 값이거나 0 일 때 중요하다.
내부저항 RE 값 은 이미터 전류 Ie 의 작용이다. 아래를 본다

Derivation of REE (REE 의 유도)

REE = KT/IEm
where:
K=1.38×10-23 watt-sec/oC, Boltzman's constant(볼츠만 상수)
T= temperature in Kelvins ?300. (켈빈단위 온도)
IE = emitter current (이미터 전류)
m = varies from 1 to 2 for Silicon (실리콘 트랜지스터는 1에서 2 까지)
REE ? 0.026V/IE = 26mV/IE

아래 REE 계산식 리스트에서 약 26mV 를 참조.

Emitter-bias equations with internal emitter resistance REE included (내부 저항 REE 를 포함한 이미터 바이어스 계산식)

윗그림은 좀 더 정밀한 이미터-바이어스 계산식이고 아마 KVL 방정식으로 유도되었을 것이다.
다른 방법은 이전 그림에서의 IE 이미터바이어스 와 RB 이미터바이어스 계산식에 REE+RE 를 포함한 RE 를 사용하는 것이다. IE EB 와 RB EB 계산식의 결과는 각각 윗 그림에 나와 있다.

REE 를 포함한 이전의 이미터-바이어스 예제의 RB 를 재계산하고 결과를 비교한다.

REE 를 포함한 계산 결과에서 베이스 저항 RB 는 낮아진 값이다.(아래 테이블에 보인다),

그것은 위에 있는 82k 표준값 저항보다 낮다.

Effect of inclusion of REE on calculated RB (RB 계산에 REE 를 포함한 효과)

REE?	REE Value
Without REE	83k
With REE	80.4k

Bypass Capacitor for RE (RE의 바이패스 캐패시터)

이미터 바이어스에서 한가지문제는 출력신호의 많은 부분이 이미터 저항 RE 에서 손실된다는 것이다(아래 그림)
이미터 저항에서의 전압강하는 입력신호와 반대 극성으로 베이스에 직렬 된다. (이것은 컬렉터 접지에서 이득이 1 이하를 가지는 것과 비슷하다) 이 악화는 베이스에서 컬렉터로의 이득을 심하게 감소시킨다.

교류 신호 증폭기에서의 해결책은 이미터 저항에 캐패시터로 바이패스 시키는 것이다.
이것은 교류신호에서 쇼트되어, 교류 이득을 원래대로 나오게 한다.
여전히 직류 이미터 전류는 DC 전류를 안정화 시키는 이미터 저항에서 악화를 겪는다.

Cbypass is required to prevent AC gain reduction. (AC 이득 감소를 막기위해 Cbypass 가 요구된다)

바이패스 캐패시터의 값은 얼마일까? 그것은 증폭기의 최저 주파수에 의존한다.
라디오 주파수(역주:고주파) 에서 Cbpass 는 작을 것이다, 오디오 증폭기에서는(역주:저주파) 20Hz 아래까지 확장되고 그것은 클 것이다. 바이패스 캐패시터의 일반적인 법칙은 이미터 저항의 1/10 리액턴스 또는 그 보다 작을 것이다.
캐패시터는 증폭될 최저 주파수를 수용하기 위해 디자인 되어야 한다. 20Hz~20KHz 를 커버하는 오디오 증폭기 캐패시터는 다음과 같다 :

이미터 내부저항 REE 는 바이패스 캐패시터에 의해 바이패스 되지 않는 것에 유의한다.

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