A. BJT 전류-전압 특성 측정 회로

1. 실험 목표

‚ 바이폴라 접합 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor: BJT) 구조 및 종류 이해

‚ BJT 전류-전압(I-V) 특성 이해

‚ BJT 직류 전류이득 βDC 이해

‚ BJT 바이어스(Bias) 회로 이해

‚ BJT 바이어스에서 동작점(Q point) 이해

2. 실험 회로

A. BJT 전류-전압 특성 측정 회로

(a) NPN BJT (b) PNP BJT 그림 4.1. BJT 전류-전압 특성 측정 회로

Lab. 4. BJT 전류-전압 특성 및 바이어스 회로

B. BJT 바이어스(Bias) 회로

(a) 베이스 바이어스 회로 (b) 이미터 바이어스 회로

(c) 전압분배 바이어스 회로 (d) 컬렉터 피드백 바이어스 회로 그림 4.1. BJT 바이어스 회로

3. 실험 장비 및 부품 리스트

A. 공통

‚ NI ELVIS II

‚ MultiSim (혹은 SPICE와 같은 회로 시뮬레이터)

‚ PC : NI MultiSim과 ELVIS II 용도

B. BJT 전류-전압 특성 실험

‚ BJT: 2N3904 1개, 2N3906 1개

C. BJT 바이어스 회로

‚ BJT: 2N3904 4개

‚ 저항: 1MΩ 1개, 100kΩ 1개, 22kΩ 2개, 6.1 kΩ 2개, 3.6kΩ 2개, 2.2kΩ 2개, 1kΩ 2개

4. Pre-Lab(예비 실험)

A. 기본 이론 조사

(1) NPN형 BJT와 PNP형 BJT의 기본적인 동작 원리를 설명하시오.

(2) NPN형 BJT와 PNP형 BJT의 네 가지 동작 영역을 설명하고, 각 동작 영역에서의 단자 전압들 사이의 관계를 정리하시오.

(3) 직류 전류이득 βDC에 대해서 설명하시오.

(4) BJT 바이어스에 대해서 설명하시오.

(5) BJT 바이어스에서 직류 부하선(DC load line)에 대해서 설명하시오.

(6) BJT 바이어스 중에 베이스 바이어스, 이미터 바이어스, 전압분배 바이어스, 컬렉터 피드백 바이어스 회로를 그려서 각 바이어스 회로의 바이어스의 동작점 (컬렉터-이미터 전압 VCE, 베이스 전류 IB, 컬렉터 전류 IC)를 구해서 설명하시오.

B. MultiSim 사용한 모의 실험(시뮬레이션)

(1) BJT 전류-전압 특성을 시뮬레이션하시오.

‚ 그림 4.1 회로를 다음 그림과 같이 구성하고 시뮬레이션하시오.

그 여기서, 정확히

(a)

그림 4.3. M

, IV analy 연결해야 - IV analyz

NPN BJT(

(a) NP ultiSim을

yzer (XIV1 함 (b: 베 zer는 그림

(단, Vce: 0 ~

PN BJT 이용해서 , XIV2)의 이스, e: 이

4.4와 같이

~ 2V(Incre

구성한 BJ

세 단자와 미터, c: 컬 이 설정함

ament : 0.2

(b) PN JT 전류-전 와 BJT 단 컬렉터)

2V); Ib: 10μ

NP BJT 압(I-V) 특 자의 연결

μ ~ 100μA (

특성 실험 회 은 그림4.3

(Num Step 회로

3과 같이

: 10))

(b) PNP BJT(단, Vce: 0 ~ 2V(Increament : 0.2V); Ib: 5μ ~ 45μA (Num Step: 9)) 그림 4.4. MultiSim의 IV analyzer에서 BJT 전류-전압(I-V) 특성 실험 설정 화면

‚ 그림 4.1 에 보여진 NPN 과 PNP BJT 전류-전압 특성 측정 회로의 시뮬레이션한 결과(IV analyzer: I-V 특성 곡선)를 출력하시오.

‚ 시뮬레이션 결과를 이용해서 직류 전류이득 βDC (=|IC/IB|)를 계산하여 다음 표에 작성하라. 여기서 IC 는 컬렉터 전류로써 그래프에서 일정하게 계속 유지되는 전류값임.

표 4.1. NPN BJT 의 직류 전류이득 βDC 계산값

IB [μA] IC [mA] 직류 전류이득 βDC (계산 값) 10

20 30 40 50 60 70 80 90 100

표 4.2. PNP BJT 의 직류 전류이득 βDC 계산값

IB [μA] IC [mA] 직류 전류이득 βDC (계산 값) 5

10 15 20 25 30 35 40 45

‚ Grapher View 를 이용해서 시뮬레이션한 I-V 특성 곡선 데이터를 Excel 에 export해서 Excel 에서 그래프로 출력하시오.

(2)

‚ 그림 4.2 회로를 다음 그림과 같이 구성하고 시뮬레이션하시오.

(a) 베

(b) 이

베이스 바이

이미터 바이 이어스

이어스

여기서

그림 4 서, DMM 중

4.5. MultiSi 중에서 XMM

(c) 전

(d) 컬렉 im을 이용

M1: 전압계

전압분배 바

터 피드백 해서 구성 계(VCE), XM

바이어스

바이어스 한 BJT 바

MM2: 전류계

바이어스 실 계 (IB), XM

실험 회로

MM1: 전류계계(IC)임.

‚ 시뮬레이션한 결과(DMM 결과)를 출력하시오.

표 4.3. NPN BJT 의 베이스 바이어스 동작점 (VCE, IB, IC) 측정 결과

이론(계산) 값 시뮬레이션 값 IB

VCE

IC

단, 이론 값 계산시에 직류 전류이득 βDC 는 표 4.1 에서 계산된 β의 최대값을 사용하라.

표 4.4. NPN BJT 의 이미터 바이어스 동작점 (VCE, IB, IC) 측정 결과

이론(계산) 값 시뮬레이션 값 IB

VCE

IC

단, 이론 값 계산시에 직류 전류이득 βDC 는 표 4.1 에서 계산된 β의 최대값을 사용하라.

표 4.5. NPN BJT 의 전압분배 바이어스 동작점 (VCE, IB, IC) 측정 결과

이론(계산) 값 시뮬레이션 값 IB

VCE

IC

단, 이론 값 계산시에 직류 전류이득 βDC 는 표 4.1 에서 계산된 β의 최대값을 사용하라.

표 4.6.

단, 이론 사용하

5.

(1) BJT - 부 - 2N

NPN BJT

IB

VCE

IC

론 값 계산 라.

C. 다음 절차를

In-Lab(

A. 실험

T 전류-전압 부록 “A3. 소

N3904(NPN

(a) 2N3904

의 컬렉터

산시에 직

“5. In-Lab 를 간단히

(본 실험

절차

압 특성 실 소자 전류- N BJT)와 2N

4 (NPN BJ

피드백 바

이론(계

류 전류이

b(본 실험 히 요약하시

험): NI E

험

-전압 특성 N3906 (PN

T) 단자 그림

바이어스 동

산) 값

이득 βDC 는

험): NI ELV 시오.

ELVIS I

측정”에서 P BJT) 단자

림 4.6. BJT

동작점 (VCE

는 표 4.1

VIS II 사

II 사용

서 BJT 전류 자 소개

(b) 2N 단자

E, IB, IC) 측 시뮬

에서 계산

용”을 참

류-전압 특성

N3906(PNP

측정 결과

뮬레이션 값

산된 β의

참고해서 실

성 측정 참

P BJT) 단자

최대값을

실험

참고

자

(2) BJT - N - Br - PB - N

- D

T 바이어스 I ELVIS II read Board에 B 전원 ON

I ELVISmx

MM에서 측

스 회로 실험 전원 ON 에 실험 회 N

x Instrument

그림 4.

측정할 전압 험

회로를 구성

t Launcher를

.7. NI ELVI 압계, 저항계

그림 성

를 다음 그

ISmx Instr 계, 전류계

림 4.8. DMM

그림과 같이

ument Lau 등을 다음

M 창

열고 DM

uncher 창 음 그림과

MM을 실행

같이 설정

‚ : DC 전압 측정

‚ : AC 전압 측정

‚ : DC 전류 측정

‚ : AC 전류 측정

‚ : 저항 측정

‚ : 캐패시턴스 측정

‚ : 인덕턴스 측정

‚ : 다이오드 양단의 전압강하 측정

‚ : 연속적으로 저항 15Ω 미만이면 비프 소리가 남

- DMM 창에서 Run 실행 - PB 전원 OFF

B. DMM 이용한 소자 값 측정

- “부록 A.1 DMM을 이용한 전압, 전류, 저항, 캐패시턴스, 인덕턴스, 다이오드 전압, 단락 측정”을 참고해서 다이오드 전압, 저항, 캐패시턴스를 측정하시오.

표 4.7. DMM을 이용한 저항, 캐패시턴스 측정

소자 규격 측정 값

저항

1kΩ 2.2kΩ 3.6kΩ 6.1kΩ 22kΩ 100kΩ

C. BJT 전류-전압 특성 측정

(1) 그림 4.1(그림 4.3)과 같이 NPN과 PNP BJT 전류-전압 특성 측정 회로를 구성하고 앞 A절에서 설명한 실험절차에 따라서 3-Wire 창에서 전류-전압 특성 곡선을 측정하시오.

(2) NPN과 PNP BJT 전류-전압 특성 측정 전압 범위:

표 4.8. 전류-전압 특성 측정을 위한 전압 범위

NPN BJT PNP BJT Collector Voltage

Sweep

Vc Start 0 V -2

Vc Stop 2 V 0

Vc Step 0.2 V 0.2V Base Current Sweep

Ib Start 10 μA -45 μA

Ib Step 10 μA 5 μA

Number of Curves 10 9

- 주의사항: Transistor Type 을 NPN Transistor 와 PNP Transistor 중에 하나로 정확히 선택해야 함

(3) NPN과 PNP BJT 전류-전압 특성 측정 결과 그래프을 출력하시오(프린트 ).

(4) NPN과 PNP BJT 전류-전압 특성 측정 결과를 이용해서 직류 전류이득 βDC

(=|IC/IB|)를 계산하여 다음 표에 작성하라. 여기서 IC는 컬렉터 전류로써 그래프에서 일정하게 계속 유지되는 전류값임.

표 4.9. NPN BJT 의 직류 전류이득 βDC계산값

IB [μA]

IC [mA] 직류 전류이득 βDC (계산 값) 시뮬레이션 값

(MutiSim)

측정 값 (ELVIS II)

시뮬레이션 값(MutiSim)

측정 값 (ELVIS II) 10

20 30 40 50 60 70 80 90 100

표 4.10. PNP BJT 의 직류 전류이득 βDC계산값

IB [μA]

IC [mA] 직류 전류이득 βDC (계산 값) 시뮬레이션 값

(MutiSim)

측정 값 (ELVIS II)

시뮬레이션 값(MutiSim)

측정 값 (ELVIS II) -5

-10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 -45

(5) NPN과 PNP BJT 전류-전압 특성 측정 결과 데이터를 log 해서 얻은 데이터를 Excel에서 불러서 그래프로 출력하시오.

D. BJT 바이어스 회로 측정

(1) 그림 4.2(그림 4.5)과 같이 네 가지 종류의 BJT 바이어스 회로를 구성하고 앞 A절 (2)에서 설명한 실험절차에 따라서 DMM을 이용(“부록 A.1 DMM을 이용한 전압, 전류, 저항, 캐패시턴스, 인덕턴스, 다이오드 전압, 단락 측정”을 참고) 해서 전압 VCE, 전류 IB, IC를 측정해서 다음 표에 작성하시오.

‚ BJT 베이스 바이어스 회로

표 4.11. BJT 베이스 바이어스 측정 결과

이론(계산) 값 시뮬레이션 값(MutiSim) 측정 값(ELVIS) IB

VCE

IC

단, 이론 값 계산시에 직류 전류이득 β_DC 는 표 4.1 에서 계산된 β_DC 의 최대값을 사용하라.

‚ BJT 이미터 바이어스 회로

표 4.12. BJT 이미터 바이어스 측정 결과

이론(계산) 값 시뮬레이션 값(MutiSim) 측정 값(ELVIS) IB

VCE

IC

단, 이론 값 계산시에 직류 전류이득 ^βDC 는 표 4.1 에서 계산된 ^βDC 의 최대값을 사용하라.

‚ BJT 전압분배 바이어스 회로

표 4.13. BJT 전압분배 바이어스 측정 결과

이론(계산) 값 시뮬레이션 값(MutiSim) 측정 값(ELVIS) IB

VCE

IC

단, 이론 값 계산시에 직류 전류이득 ^βDC 는 표 4.1 에서 계산된 ^β의 최대값을 사용하라.

‚ BJT 컬렉터 피드백 바이어스 회로

표 4.14. BJT 컬렉터 피드백 바이어스 측정 결과

이론(계산) 값 시뮬레이션 값(MutiSim) 측정 값(ELVIS) IB

VCE

IC

단, 이론 값 계산시에 직류 전류이득 βDC 는 표 4.1 에서 계산된 βDC 의 최대값을 사용하라.

6. Post-Lab(실험 후 과정)

1. BJT 전류-전압 특성 곡선 실험을 Pre-Lab(4절)에서 MultiSim으로 시뮬레이션한 데 이터와 In-Lab(5절)에서 NI ELVIS II로 측정한 데이터를 비교하라. 시뮬레이션 데이 터와 측정 데이터 사이의 오차를 토의하시오.

- Excel을 이용해서 시뮬레이션 데이터와 측정 데이터를 하나의 그래프로 그려서 비 교하고 파이가 있다면 그 원인을 분석하라.

- 표 4.9과 4.10에서 작성한 직류 전류이득의 시뮬레이션 값과 측정 값을 서로 비교

하고 차이가 있다면 그 원인을 분석하라

2. BJT 바이어스 회로 실험을 Pre-Lab(4절)에서 MultiSim으로 시뮬레이션한 데이터와 In-Lab(5절)에서 NI ELVIS II로 측정한 데이터(표 4.11 ~ 4.14)를 비교하고 차이가 있다 면 그 원인을 분석하라.

3. 네 가지 BJT 바이어스 회로 실험에서 구한 바이어스 동작점 (VCE, IB, IC)을 NPN BJT 전류-전압 특성 곡선에 표시하고 이 바이어스 점이 어떤 BJT 동작영역(포화영역, 활동영역, 차단영역)에서 동작하는지 설명하시오. 단, Exel로 그린 전류-전압 특성 그 래프에 바이어스 동작점을 표시하시오.