들어가기 앞서.
실리콘 트랜지스터로 0.7V 미만의 작은 신호(교류신호)는 증폭을 할 수가 없습니다.
그 이유는, 트랜지스터의 베이스는 일정전압(0.7V)이상 되지 않으면 전류가 흐르지 않기 때문이지요.
전원을 연결하더라도 0.7V 이하의 신호로는 어떤 작동도 할 수 없다는 뜻 입니다.
당연한 얘기지만 이러면 수십mV 이하의 소신호 증폭은 할 수가 없습니다.
따라서, 0.7V 이상의 전압 + 증폭할 신호전압을 베이스에 전달하는 방법이 필요한데..
이 때 사용하는 테크닉이 바로 "bias" 이고, 일반적으로 "바이어스를 건다" 라고 표현 합니다.
아주 간단한 것은 베이스에 단 1개의 저항으로 구성 가능 합니다. (고정 바이어스 라고도 합니다)
그러나, 이렇게 절대값으로 해버리면 전압,전류,온도, 거기다가 제조상의 편차로 인해
같은 형번의 TR 을 쓴다고 해도 작동환경 변화, 부품교체 등의 경우가 발생하면 "기준치 내에서 잘 작동한다" 라고 보장
할 수 없게 됩니다.
*주) 트랜지스터는 동일 형번이라도 HFE(증폭률)의 차이가 상당 합니다.
이런 이유로, 조건 변화에 따라 능동적으로 변화되는 바이어스가 필요하게 되었는데
가장 간단한 것으로는 컬렉터-바이어스(자기바이어스 라고도 함)가 있습니다.
그러나 실용의 회로(온도나 전원전압이 변동하는 환경 등)에서는 이것만으로는 부족 합니다.
그래서 이보다 훨씬 더 안정적인 이미터-바이어스(전류궤환바이어스 라고도 함)를 주로 사용 합니다.
이 문서에서는 부수적으로, 캐스코드 증폭기(이미터접지+베이스접지 형태의 증폭기)도 다루고 있습니다.
캐스코드 증폭기는 비교적 간단한 방법으로 트랜지스터의 증폭 특성을 개선 시키는 회로 입니다.
오디오 영역보다는 주로 RF 영역(특히 광대역 증폭기)에서 주로 쓰이지만,
근래에는 RF 에서도 개별소자의 성능이 좋아진 관계로 특별한 경우가 아니면 잘 사용하지 않는거 같습니다.
*주) 캐스코드 접속은 TR 뿐만 아니라 FET 에서도 사용 합니다.
오늘날 AF(오디오주파수) 영역에서는 개별소자의 TR 로 회로를 구성하는 일은 거의 없습니다.
거의 모두 리니어-IC(Linear IC = OP-AMP)로 대체 됐습니다.
나머지 남아있는 영역(RF 영역의 일부, 스위칭, 전력 회로 등)에서만 주요 소자로 사용 됩니다.
따라서 더이상 계산기를 두둘겨서 바이어스 저항을 계산할 일이 없으므로 별로 필요없는 내용 입니다만,
트랜지스터 회로의 증폭 원리, 다시 말해, 기본 설계가 어떻게 이루어 지는지 궁금하신 분에게는 도움이
될 겁니다.
예컨데 스스로 라디오 수신기나, 오디오 증폭기 같은걸 설계 해보고 싶은 분 등..
여기서는 기본적으로 오디오 주파수 영역의 작동이 기준 입니다.
(RF 영역에 들어가면 임피던스 매칭을 고려해야 되기 때문에 좀 달라 집니다.)
이후에 나오는 자료는 http://www.allaboutcircuits.com 에 volume 3, chapter 4 에 나와 있는
BIPOLAR JUNCTION TRANSISTOR 의 Biasing calculations 을 번역한 내용 입니다.
* 주 :
1. 초벌 번역 입니다, 정확한 내용은 원문을 읽어 주십시요.
2. 문서상의 "베타" 라고 하는 것은 HFE(증폭률)를 말하는 것이고, 영어 표기로는 β 입니다.
- 왜냐고 물어봐도 저도 모릅니다, 미쿡에서는 그렇게 부르나 봅니다.
- 일본에서는 HFE 로 표기하는 것으로 알고 있습니다.
3. 이 내용은, 접합형 트랜지스터(BJT, 흔히 말하는 PNP,NPN 트랜지스터)에 해당하는 것이고
FET(IG-FET(MOS-FET, 절연게이트FET) 혹은 J-FET(접합게이트FET)) 에는 해당하지 않습니다.
4. 갑자기 생각났는데, FET 좀 제발 펫이라고 쓰지 말고, FET 라고 표기 합시다. 대체 펫이 뭡니까? 애완동물인가?
FET 를 표기할 때는, fet 라고 안쓰고 FET 라고 반드시 대문자로 표기 하는게 국제 관례 입니다.
소리나는대로 표기 할거면 LED 도 "리드 라고 쓰고 MIT 공대도 그냥 및 아니면 마이트 공대 라고 쓰면 되겠네요.
이러면 혼선이 옵니다, 읽는건 자유의지지만, 국제적 표기는 확실하게 하는게 좋습니다.
Base Bias(베이스 바이어스, 고정 바이어스 라고도 함)
가장 간단한 바이어스는 베이스-바이어스 저항기를 베이스와 베이스전원 VBB 사이에 연결하는 것이다.
새로운 바이어스 전원(VBB) 대신 기존의 Vcc 전원을 사용하는 것은 편리하다.
베이스-바이어스를 사용한 오디오 증폭기의 예를 들면 "트랜지스터 한개짜리 크리스털 라디오" 가 있다.
*주) 1석저주파증폭 라디오 같은데, 링크가 깨져 있어서 안 보입니다.
베이스에서 배터리 단자로 연결된 저항기에 주목한다, 비슷한 회로를 아래 그림에서 보인다.
아래 그림에 트랜지스터상의 다이오드 전압강하 VBE 와 RB, 배터리를 포함하는 루프에 대해 KVL(키르히호프 법칙) 계산식을 써서 보인다. 우리가 베이스 전원에 VBB 를 사용한다는 것에 유의한다(그게 실제로는 Vcc 라도).
만약 β가 큰 값이면 우리는 Ic=Ie 로 추정할 수 있다. 실리콘 트랜지스터에서 VBE 는 약 0.7V 이다.
*주) 초창기의 게르마늄 트랜지스터는 이보다 훨씬 낮은 VBE 전압강하 이지만 실제 성능은 매우 안좋습니다
*주) KVL은 키르히호프 법칙
베이스 바이어스 계산하기.
실리콘 소신호 트랜지스터는 보통 100-300 사이의 β를 가진다.
β=100 인 트랜지스터를 가정하고, 이미터전류 1mA 일 때 요구되는 베이스 바이어스 저항기의 값은 얼마일까?
아래 그림, 결과값인 930K 에 가장 가까운 표준값은 910K(옴) 이다.
910K 저항기 일때의 이미터 전류는 얼마 일까?(아래 그림)
만약 β=300 인 트랜지스터의 이미터 전류는 얼마일까?(아래 그림)
표준값인 910K 저항기를 사용했을 때 이미터 전류는 조금만 바뀌었다.
그러나 β 가 100 에서 300 으로 변했을 때 이미터 전류는 세배가 된다.
우리가 컬렉터 전압이 Vcc 에서 GND 까지 변화한다고 생각한다면 이것은 전력 증폭기에는 부적당하다.
그러나 마이크로 볼트에서 약 1V 사이의 소신호에서 이 바이어스 지점은 β의 중심값(sqrt(100*300)=173)으로 할 수 있다.
이 바이어스 점은 여전히 많이 이동(drift)한다. 그러나 소신호는 잘리지(clipped) 않을 것이다.
*주) 고정바이어스는 HFE 변화에 따라 동작점이 변하므로, 정확한 HFE 를 모르면 의도된 바이어스점(이미터 전류)을 잡기가 어렵습니다.
베이스-바이어스 그 자체만으로는 전력증폭기 처럼 높은 이미터 전류에 적합하지 않다.
베이스 바이어스된 이미터 전류는 온도 안정성이 없다.
열폭주는 온도증가에 기인한 이미터 전류 증가로, 점진적 온도 증가가 원인이 된 이미터 대전류의 결과이다.
*주) 열폭주라고 하는 것은, 소자가 뜨거워지면 흐르는 전류가 증가하기 때문에 발생하는 현상 입니다.
전류가 증가하면 발열도 증가하고, 발열이 증가하면 전류도 증가하고 이것이 눈깜짝할 사이에 반복되면서.
결국은 과도한 열에 의해 소자는 파손 됩니다.(Burn, 타버림)
이 바이어스 법은 특별한 경우를 제외하고는 거의 사용하지 않습니다.
Collector-feedback bias(컬렉터 궤환 바이어스, 자기(self) 궤환 바이어스 라고도 함)
바이어스 변동의 원인인 β와 온도는 아래 그림처럼 바이어스 저항기를 컬렉터로 이동시키는 것에 의해 감소할지도 모른다.
만약 이미터 전류가 증가하면 Rc 에서의 전압강하는 증가, Vc 는 감소하고, 베이스로의 궤환 Ib 는 감소한다.
이것이 반복되면, 이미터 전류는 감소하고, 처음의 증가를 바로잡는다.
배터리, Rc, RB, 그리고 VBE 전압강하를 포함하는 루프에 대해 KVL 법칙을 적용한다. Ic=IE, IB=IE/β 로 치환한다.
IE CFB-바이어스 계산식으로 Ie 를 계산한다, IB CFB-바이어스 계산식으로 IB 를 계산한다.
컬렉터 궤환 바이어스.
트랜지스터 β=100 그리고 4.7K 컬렉터 부하저항, 1mA 의 이미터 전류를 위해 필요한 컬렉터 궤한 바이어스 저항값을 얻는다.
컬렉터 전압 Vc 를 얻는다. 그것은 대략 VCC 와 GND 사이의 중간에 가까울 것이다.
460K 컬렉터 궤환 바이어스 저항기에 가장 가까운 표준값은 470K 이다.
470K 저항기에서 이미터 전류 Ie 값을 얻는다. β=100 과 β=300 트랜지스터에서의 이미터 전류를 재계산 한다.
우리는 β가 100 에서 300 까지 변화할 때, 이미터 전류가 0.989mA 에서 1.48mA 까지 변화하는 것을 본다.
이것은 1.02mA 에서 3.07mA 까지 증가하던 이전의 베이스-바이어스(고정바이어스) 보다 개선된 것이다.
컬렉터 궤환 바이어스는 β 변화 관점에서 베이스 바이어스 보다 두배 안정적 이다.
.. 이미터 바이어스(전류궤환) 은 다음 게시물에 올립니다.(작업중)