트랜지스터 데이터 시트의 이해(3)

3. SMALL SIGNAL CHARACTERISTICS(소신호 특성)

소신호 특성은 트랜지스터의 AC(교류) 성능을 기술한다.
소신호에 대해 표준화된 산업적 정의는 없다.(대신호에 비해)

그러나 일반적으로 AC 신호는 DC 바이어스 전압에 비해 작게 정의된다.
다시 말해, 신호 크기는 트랜지스터의 선형 작동 영역의 충분히 안쪽에 있다.

소신호 특성은 아래와 같은 것들을 포함한다 :

1) gain bandwidth product (Ft) (차단주파수, 역주: 신호증폭률이 1이 되어버리는 지점의 주파수 값을 말함)
2) the AC current gain (hfe) (AC 전류 증폭률)
3) input and output impedances (입 출력 저항) (hie and hoe)
4) input and output capacitances (입 출력 용량) (Cibo and Cobo)
5) the noise figure (NF). (잡음 계수)

소신호 파라미터를 이해하는 것은 대단히 중요하다.
그것은 오디오 주파수나 RF 주파수에서의 트랜지스터 동작을 설명하고, 회로 설계의 계산식에 사용된다.
그 파라미터 들은 트랜지스터 타입에 따라 매우 다르다.
그 값들을 가정하고 만드는 것은(DC 에서 HFE=100 처럼) 매우 위험할 수 있으며 데이터시트가 반드시 사용되어야 한다.

데이터 시트의 Ft 와 hfe 의 소신호특성을 표3 에 보인다.

RF 트랜지스터의 데이터시트 상에서 Ft 는 항상 주어지는 것이 아니다.
대신, 특정 주파수에서 시험된 전력이득(Power gain, GP 또는 이미터 접지 회로의 전력이득 Gpe) 이 있다.
Ft 는 표4 에서 보이는 것처럼 Gp 에서 도출할 수 있다.

X 와 Gp(mag) 의 전력이득 변환식 dB 에서 단위가 없는 크기는 hfe 와 같다.

hfe 는 교류 소신호 전류 이득이다, 그리고 컬렉터 전류와 주파수에 따라 달라진다.
또한 Hfe 는 ac beta 로 알려져 있다.

Ft 와 함께 hfe 는 특정주파수에서 트랜지스터의 전체적인 AC 이득을 나타낸다, 그림 3을 보아라.

hfeo 는 저주파수에서의 hfe 이고 종종 DC HFE 값과 매우 비슷하다.
hfe 값은 보통 1KHz, Ic=1mA 에서 측정된 것을 데이터시트에서 보여준다.

Beta cut-off frequency(베타 차단 주파수), fb 는 hfe 의 "3dB 지점" 이다.
(역주: 절반으로 떨어지는 지점, 전력,전류,이득 등의 반치점 이라고도 함)

hfe=0.707 * hfeo 또는 fb=Ft / hfeo 이다. FB 가 데이터시트상에 나오는 일은 드물다.

hfe 는 fb 지점 으로부터 Ft 지점까지 옥타브당 6dB 씩 완벽한 선형으로 떨어진다.

Fb 그리고 hfe vs 주파수 도표는 데이터 북에 종종 등장한다.
데이터시트를 이해하는 것은 특정 주파수에서의 트랜지스터의 실제이득(hfe)을 정하는데 있어 중요하다.

디자인 예제 : Hfe vs 주파수 도표의 작성

수식과 그래프를 사용하여 40미터 밴드에서 2N2222 의 hfe 값을 알아볼 것이다, 그건 정말 쉽다.

표3 에서 hfe=50(최소)에서 300(최대) 이다. 평균값인 hfe=150 을 고른다.
hfe 는 1KHz 에서의 값이다, 이 값은 또한 hfeo 이다.

도표에 hfeo=150 인 선을 그린다.(line 1, 그림4)

Fb 와 Fb 에서의 hfe 계산은 아래와 같다 : (2N2222에서 Ft=250MHz)
Fb = Ft/hfeo = 250MHz / 150 = 1.7MHz

Fb 에서의 hfe = 0.707 * hfeo = 0.707 * 150 = 106

fb 에서의 hfe 값을 차트상에 점으로 찍는다(hfe=106, 1.7MHz)
또는 희망하는 주파수(fo, 7MHz)에서 hfe 값을 계산한다,

hfe(fo 에서) = Ft/fo = 250MHz / 7MHz = 36
Fb(또는 fo) 와 Ft(line 2, 그림4) 사이에 선을 그으면 Ic=1mA 에서 2N2222 의 hfe 대 주파수 도표가 완성된다.

따라서, 7MHz 에서 ac 증폭률 hfe = 36 이다

144MHz 에서의 2N2222 신호이득은 얼마나 될까?
hfe = Ft/fo = 250MHz / 144MHz = 1.7, 또는 거의 1 이다.

이것이 일반적 용도의 트랜지스터(Ft<400MHz) 가 50MHz 이상의 VHF 에서 가용한 이득의 부족 때문에 사용할 수 없는 이유이다.

Hfevs Ic, Hfe 는 그림 5에서 보이는 것처럼 Ic 와 움직인다.

이 데이터시트 도표는 1mA 이외의 Ic 에서 hfe 를 조정하기 위해 사용된다.

배터리를 전원으로 이용하는 회로 설계는 Ic=1mA 를 권장한다.
첫번째로, 데이터시트의 값들은 바로 사용될 수 있고, 추가적인 계산의 필요성을 줄인다, 대부분의 파라메터는 Ic=1mA 기준이다.
두번째로 이 트랜지스터들은 Ic=1mA 혹은 이보다 작을 때에도 충분한 이득을 가지고 있다.
높은 Ic 로 추가되는 이득은 아마도 비효율적으로 배터리 소모를 증가시킬 것이다.
예를들면, Ic=2mA 에서 작동하는 한개의 증폭기 보다는, Ic=1mA 에서의 두개의 증폭기가 훨씬 더 큰 이득을 만들 것이다.

(역주: 증폭기를 2개 연속으로 연결하면 증폭률은 그 곱이 됩니다 -단, 잡음지수도 함께 증가함-

HFE 100 짜리 TR 두개를 연결하면 증폭률은 10000 이 됩니다.당연히HFE=200짜리TR 한개 보다 증폭률은 더 좋습니다.)

표6 에 2N2222 의 주파수 변화에 따른 hfe 를 보여준다.

표5 는 아직 설명하지 않은 소신호 특성 리스트 이다.

Input impedance, hie,(입력 임피던스, hie) 는 베이스 이미터 접합의 저항 성분이다, 그리고 Ic 에 의해 변한다.
그것은 입력 임피던스 계산을 위해 사용되고, Cibo 없이 hie 값 자체만으로는 별로 유용하지 않다.

Input capacitance, Cibo,(입력 용량, Cibo) 베이스 이미터 접합의 캐패시턴스(용량) 성분이다.
2N2222 의 Cibo(max)=30pF 이다. Cibo 의 리액턴스(Xc) 는 hie 와 병렬이다(Xc||hie) -
등가 입력 임피던스 Zin 의 원인이고 표6 에 보인것과 같이 주파수에 의존적이다.

Xc(Cibo) 는 트랜지스터의 입력 임피던스를 지시하는 것으로 볼 수 있다(hie 는 아니다)
주어진 어떤 주파수에서의 Zin 값을 산출할 때 Cibo 는 중요하다.
RF 에 적합한 트랜지스터를 선택할 때 Cibo 값은 작을수록 좋고, 이 경우 입력 임피던스는 Zin 이라고 불러진다.
그것은 주파수 의존적인 리액턴스 성분을 포함하고 있다.

Input resistance, Rin(입력저항 Rin), 이미터 접지 트랜지스터의 입력저항, 또한 hfe 와 이미터 전류를 사용하여
다음과 같이 산출할 수 있다.
Rin = re(hfe+1) 여기서 re=26/Ie(mA) (Ie 는 Ic 와 대략 같음)
상기에서의 Rin 결과를 비교하기 위해 표6 에 보인다.

일반적으로 hfe 와 Ie 를 우선하는 방법이 hie 와 Cibo 보다 정확한 것으로 알려져 있다.
이 경우, 입력 임피던스는 Rin 이라고 부르고 오직 저항 성분만 포함하고 있다. (리액턴스 성분이 아니다)
두가지 다른 방법은 트랜지스터의 입력 임피던스를 정확히 결정하는 것이 어렵다는 것을 보여준다.

Output Admittance, hoe,(출력 어드미턴스, hoe) 트랜지스터에서 출력저항의 상호 어드미턴스를 의미한다.
예를들면, hoe(typ)=10umhos 에서, Rout = 1/hoe = 1/10umhos = 100K옴 이다, hie 와 비슷하다, hoe 값 자체만으로는 별로 유용하지 않다.

Output Resistance, Ro,(출력 저항, Ro) hoe 와 컬렉터 부하저항의 병렬 등가 저항과 비슷한 값이다, Rc 또는 Ro=Rc||Hoe 이다. 그림6 에서 Rc 는 1-5K옴 범위안에 있고, hoe 는 20-100K옴 이다, Rc 는 트랜지스터의 출력저항을 좌우할 것이다.
결과적으로 출력 임피던스는 Zo ~= Rc 에 의해 보통 결정 된다.
출력 임피던스는 소신호 파라미터가 아니라 회로상의 Rc 값에 의해 먼저 정해지는 것에 주의하기 바란다.

Cobo 는 출력 용량이다, 그리고 출력 저항과 병렬이다. 대부분의 일반용 NPN 트랜지스터에서 Cobo 는 10pF 보다 작고 HF 에서 작은 영향을 받는다. 이 파라미터는 VHF/UHF (스펙트럼)상에서 작동하는 RF 트랜지스터에서 중요하다.(출력이 새버리도록 만드는 출력 임피던스의 중요한 성분이다) 명백하게, 낮은 값의 Cobo 가 좋다.

Noise Figure, NF(잡음 계수, NF) 는 입력에서 출력으로의 잡음 비율을 의미한다.

이것은 아마추어가 쉽게 측정할 수 있는 것이 아니다.
트랜지스터가 hfe 에 의해 증폭작용을 할 때 노이즈를 추가할 것이다, 신호 출력은 신호 + 노이즈 형태이다(또는 S+N 이다).
신호 전력의 S+N 초과는 트랜지스터의 노이즈계수(NF)에 기인한다.

QRPer 에게 있어서 트랜지스터의 NF 는 HF 상에서는 아주 중요한 것은 아니다. 표7 을 보라,
오디오 단을 위해서는 낮은 NF 의 트랜지스터를 고른다.

Transconductance, gm,(전달 컨덕턴스, gm) 는 몇몇의 데이터 시트에서 제공하는 또 다른 파라미터 이다.
만약 제공되지 않는다면 gm = 0.038 * Ie(mA) 로 추정할 수 있다.

역주 : 이 장에 대해서는 부연설명을 추가 예정 입니다.

비전공자 중에 여기 나온용어와 내용을 모두 다 이해하시는 분이 계신다면..

직업을 바꾸시는 것을 권장 합니다. ㅋㅋㅋ

4. SWITCHING CHARACTERISTICS(스위칭 특성-역주:On/Off 특성을 말함)

스위칭 특성은 트랜지스터가 펄스, 디지털로직, 스위칭 응용 으로 사용될 때의 작동 한계를 의미한다.
QRP 스위칭 회로는 T-R 스위칭(역주:송수신전환)회로를 포함하고 CW 키잉과 밴드 전환 회로에 트랜지스터가 사용된다.
그것들은 실제로 대신호 특성 이다, 대개의 스위칭 응용 회로에서는 컷오프(완전히Off된상태)에서 포화(완전히ON된상태)까지 구동 시킨다. 그림7 에 스위칭 특성 용어에 대해 설명한다.

td, delay time(지연 시간) 은 입력이 L(로우, 0) 에서 H(하이, 1) 로 변할 때, 출력 응답이 시작될 때까지 걸리는 시간이다.

tr, rise time(상승 시간) 은 출력이 출력전압의 10% 에서 시작하여 90% 까지 도달하는데 주어지는 시간이다.

ts, storage time(유지(저장) 시간) 은 입력이 H 에서 L 로 변할 때 출력 응답이 시작될 때까지 걸리는 시간이다. 이것은 보통 꽤 긴 시간이 걸린다.

tf, fall time(하강 시간) 은 출력이 출력전압의 90% 에서 시작하여 10% 까지 도달하는데 주어지는 시간이다.

이 수십나노초의 스위칭 시간은 QRP 응용회로에서 요구되는 것보다 수천배 이상 빠르고, 보기드문 회로에서 트랜지스터를

선정하는데 기준이 된다.

이 자습서는 하나의 트랜지스터 데이터시트를 해석하는 것을 가능하게 한다.(제조사로 부터의 완벽한 데이터 시트 이든지, 또는 대략적인 자료이든지, ARRL 핸드북 또는 NTE 참고서 같은) 많은 제조사들이 온라인 상에서 완벽한 데이터시트를 제공한다. 당신이 고유의 회로를 설계함에 있어 트랜지스터의 규격을 이해하는 것은 필수적이다.
이 규격들을 이용한 트랜지스터 바이어스는 나중에 Handyman's tutorial 에 추가할 것이다.

- 여기가 끝 입니다.