제5장 트랜지스터의 바이어스 회로
5.1 직류(DC) 동작점
- 증폭기의 선형동작을 위해서는 적절한 바이어스에 의한 동작점의 설정 필요
⇒ 적절한 직류 동작점이 설정되지 않고 입력신호가 인가될 경우
⇒ 입력신호에 의해 증폭기는 차단이나 포화상태에서 동작
⇒ 출력신호의 왜곡현상이 발생
- 그림 5.1은 반전증폭기의 적절한 바이어스와 부적절한 바이어스의 영향을 표시
(a) 선형 동작
(b) 비선형 동작 : 차단에 의한 제한
(c) 비선형 동작 : 포화에 의한 제한
증폭기 기호
그림 5.1 반전증폭기의 선형과 비선형 동작
- 동작점 설정이 적절하면 입력신호의 위상이 반전되고 증폭된 파형이 출력
⇒ 출력신호는 입력신호와 180°의 위상차 발생
⇒ 증폭기의 선형 동작, 그림 5.1(a)
- 동작점이 차단점에 근접하도록 바이어스된 경우 출력신호의 양의 부분이 절단
⇒ 증폭기의 비선형 동작, 그림 5.1(b)
- 동작점이 포화점에 근접하도록 바이어스된 경우 출력신호의 음의 부분이 절단
⇒ 증폭기의 비선형 동작, 그림 5.1(c)
- 출력신호의 일부가 잘리게 되어 출력신호의 왜곡(distortion)이 발생하는 현상
⇒ 증폭기의 비선형 동작
- 트랜지스터가 증폭기로 사용되기 위해서는 적절한 DC 바이어스가 필요
⇒ 직류동작점인 와 가 적절한 값으로 설정됨을 의미
- 그림 5.2(a)와 같이 트랜지스터에 와 를 가변 바이어스로 인가
⇒ 트랜지스터의 컬렉터 특성곡선을 그림 5.2(b)에 표시
0～5V
10kΩ
100
220Ω
0～10V
(a) 직류 바이어스 회로
0 10
[mA]
[V]
100A 200A 300A 400A 500A 600A
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
20 30 40 50 60
(b) 컬렉터 특성곡선 그림 5.2 직류 바이어스된 트랜지스터 회로와 컬렉터 특성곡선
- 그림 5.3(a)와 같이 를 조정하여 200A로 설정하고, 와 계산
⇒ 와 의 값을 그림 5.3(a)에 직류동작점 으로 표시
× × × A mA
× × V
- 그림 5.3(b)와 같이 를 조정하여 300A로 설정하고, 와 계산
⇒ 와 의 값을 그림 5.3(b)에 직류동작점 로 표시
× × × A mA
× × V
- 그림 5.3(c)와 같이 를 조정하여 400A로 설정하고, 와 계산
⇒ 와 의 값을 그림 5.3(c)에 직류동작점 로 표시
× × × A mA
× × V
- 위의 결과에서 알 수 있는 것처럼 가 증가하면 가 증가하고 는 감소
⇒ 가 감소하면 가 감소하고 는 증가
5.1 직류(DC) 동작점 93
0 10
[mA]
[V]
200A
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
20 30 40 50 60
10kΩ
100
220Ω
10V 200A
20mA
5.6V
0 10
[mA]
[V]
300A
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
20 30 40 50 60
10kΩ
100
220Ω
10V 300A
30mA
3.4V
10kΩ
100
220Ω
10V 400A
40mA
1.2V
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
400A
[mA]
[V]
10 20 30 40 50 60
그림 5.3 직류 동작점의 설정
- 그림 5.4(a)와 같이 직류부하선은 점과 인 점을 잇는 직선
0
[mA]
[V]
400A
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 10
20 30 40 50 60
300A
200A
≃0
포화점
차단점
직류부하선
직류동작점
(a) 이상적인 포화점 및 차단점 (b) 실제 포화점과 차단점 그림 5.4 직류부하선과 동작점
- 그림 5.3의 회로에서 컬렉터 루프에 대해 KVL을 적용하여 직선의 방정식 유도
, ,
: 기울기,
: 축 절편, : 축 절편
- 그림 5.4(a)의 , 0인 점에서 직류부하선은 축과 교차
⇒ 트랜지스터의 이상적인 차단점(cutoff point)을 표시
⇒ 그림 5.4(b)와 같이 실제로는 ≠0인 누설전류가 존재 - 그림 5.4(a)의 0, 인 점에서 직류부하선은 축과 교차
⇒ 트랜지스터의 이상적인 포화점(saturation point)을 표시
⇒ 실제 포화점은 포화영역의 경계와 직류부하선이 만나는 점
- 동작점이 적절히 설정되고 입력신호가 포화와 차단 사이에 모두 포함된 경우
⇒ 그림 5.5와 같이 와 는 정상적인 출력신호를 표시
⇒ 트랜지스터는 선형동작을 표시
220Ω
10V
100
3.7V
10kΩ B
0
[mA]
[V]
400A
1.2 3.4 5.6 20
30 A 40
300A
200A
그림 5.5 트랜지스터 회로의 선형 동작
- 은 에 중첩되므로 는 300A를 중심으로 100A씩 상하로 변화
⇒ 의 변화에 따라 는 30mA를 중심으로 10mA씩 상하로 변화
⇒ 는 3.4V를 중심으로 2.2V씩 좌우로 변화
- 그림 5.5에서 A점은 정현파 입력의 양의 첨두값, B점은 음의 첨두값에 대응
⇒ 점은 정현파 입력이 0일 때 직류 바이어스 만에 의한 값 - 와 는 정현파 입력 이 인가되지 않았을 때 직류동작점 의 값
5.1 직류(DC) 동작점 95
•파형의 왜곡
- 그림 5.6(a)와 같이 점이 포화점에 근접할 때, 의 상단이 트랜지스터를 포화
⇒ 의 상단 부분과 의 하단 부분이 절단되어 출력
⇒ 의 변화는 의 변화와 반대(180°의 위상차)
- 그림 5.6(b)와 같이 점이 차단점에 근접할 때, 의 하단이 트랜지스터를 차단
⇒ 의 하단 부분과 의 상단 부분이 절단되어 출력
- 그림 5.6(c)와 같이 점이 직류부하선의 중앙에 위치하지만 가 너무 큰 경우
⇒ 의 상단과 하단 부분이 포화영역 및 차단영역에 존재
⇒ 와 의 상단 부분과 하단 부분이 모두 절단
(a) 동작점이 포화점에 인접한 경우 (b) 동작점이 차단점에 인접한 경우
(c) 입력신호의 진폭이 너무 큰 경우
차단
차단
입력신호
0
포화 포화
입력신호
포화
입력신호
차단
차단 포화
그림 5.6 동작점의 위치에 따른 출력신호의 왜곡 현상
【예제 5.1】그림 5.7의 회로에서 점을 결정하고, 직류부하선을 그려라. 그리고 선형동 작을 위한 베이스 전류의 값을 계산하라. 여기서 200으로 가정한다.
47kΩ
10V
330Ω
20V
그림 5.7 예제 5.1의 회로
×
× A A
× mA mA
× × V
점
mA, ∵
V, ∵
0 39.6 60.6
이상적인포화점
[mA]
[V]
6.93 20
이상적인차단점
그림 5.8 직류부하선과 동작점
mA
×
× A A
A
■
5.2 전압분배 바이어스 97
5.2 전압분배 바이어스
- 그림 5.9는 베이스 전압을 에 의해 인가하는 전압분배 바이어스를 표시
⇒ 과 로 구성된 전압분배기에 의해 분할되어 바이어스
⇒ 에 흐르는 전류 는 베이스 전류 보다 극대, ≫
⇒ 베이스 전류 에 의한 효과를 무시하고 회로해석이 가능
B
+
그림 5.9 전압분배 바이어스
- ≫일 경우 전압분배법칙을 이용하여 베이스 전압은 식 (5.1)에 의해 계산
≃
(5.1)- 식 (5.1)의 를 이용하여 와 는 각각 식 (5.2)와 식 (5.3)에 의해 계산
⇒ 식 (5.3)에서 계산된 를 이용하여 는 식 (5.4)에 의해 계산
(5.2)
≃
(5.3)
(5.4)
- 컬렉터 전압 와 이미터 전압 를 구하면, 는 다음 식으로 계산 가능
【예제 5.2】그림 5.10의 전압분배 바이어스 회로에서 와 를 구하라. 100이다.
10kΩ 1kΩ
5.6kΩ
560Ω +10V
그림 5.10 예제 5.2의 회로
≃
× V V
≃
× A mA
× × V
V
■
- ≫라 하면 전압분배 바이어스 회로는 그림 5.11(a)와 같이 표시 가능
⇒ 이면 트랜지스터의 베이스 입력저항 를 고려
⇒ 그림 5.11(b)와 같이 는 와 병렬로 표시
+
(a) 무부하 (b) BJT 부하
+
베이스에서 본 입력저항
∙ ≫일 경우(a) :
≃
∙ 일 경우(b) :
그림 5.11 BJT가 부하로 작용할 경우의 전압분배기
5.2 전압분배 바이어스 99
- 다음의 회로와 같이 베이스 단자에 을 인가하여 의 베이스 전류가 발생
⇒ 직류 입력저항 는 에 대한 의 비로 정의
,
≃
, , ≪
≃, ≜
≃ (5.5)
+
【예제 5.3】그림 5.12에서 트랜지스터의 베이스에서 바라본 직류 입력저항을 구하라.
+
560Ω
1kΩ 4V 125
그림 5.12 예제 5.3의 회로
mA
×
×
× Ω kΩ
■
◉ 전압분배 바이어스의 안정도
- 그림 5.13(a)의 전압분배 바이어스 회로의 해석을 위해 그림 5.13(b)로 변환
+
(a) 전압분배 바이어스
B
+
+
+
+
(b) 분리된 바이어스 전압 (c) 테브난 등가회로 그림 5.13 전압분배 바이어스에 대한 테브난 등가회로
- 그림 5.13(b)의 회로에서 B점의 왼쪽 회로에 대해 테브난의 정리를 적용
⇒ 테브난 등가전압 와 테브난 등가저항 를 계산
,
- 그림 5.13(c)에서 베이스-이미터 루프에 키르히호프의 전압법칙(KVL)을 적용
⇒
≃
를 대입하고 에 관해서 정리하면 식 (5.6)로 표시
⇒ ≫
이면, ≃
으로 식 (5.3)과 동일
⇒ ()는 와 무관, 전압분배 바이어스는 높은 안정도를 제공
,
(5.6)
5.2 전압분배 바이어스 101
◉ PNP 트랜지스터의 전압분배 바이어스
- pnp형은 그림 5.14(a)와 같이 -나 그림 5.14(b)와 같이 +로 바이어스
⇒ 그림 5.14(c)와 같이 회로의 위쪽과 아래쪽을 뒤집어서 재구성
⇒ 그림 5.14(a)에서 B-E 루프에 KVL을 적용하면 식 (5.7)이 유도
⇒ 그림 5.14(b), 즉 그림 5.14(c)에 대해 적용하면 식 (5.8)이 유도
,
, ,
,
,
(5.7)
,
, ,
,
,
(5.8)
(a) 음의 컬렉터 바이어스
-
(b) 양의 이미터 바이어스 (c) 회로 (b)의 재구성
+
+
그림 5.14 pnp 트랜지스터의 전압분배 바이어스
【예제 5.4】그림 5.15의 pnp 트랜지스터 회로에서 와 를 구하라.
10kΩ 1kΩ
22kΩ 2.2kΩ +10V
150
그림 5.15 예제 5.4의 회로
× V
×
kΩ
V, V
≃
mA
×× × V
× × V
V
■
5.2 전압분배 바이어스 103
【예제 5.5】그림 5.14(a)의 pnp 트랜지스터 회로에서 와 를 구하라.
-
68kΩ 1.8kΩ
47kΩ 2.2kΩ -6V
75
× V
×
kΩ
V, V
≃
mA
× × V
×× × V
V
■
5.3 기타 바이어스 회로
◉ 이미터 바이어스(Emitter Bias)
- 그림 5.17(a)에서 베이스 측은 접지시키고, 이미터 측은 (0)로 바이어스
⇒ 는 를 순방향 바이어스 상태로 설정
- 그림 5.17(a)에서 베이스 전류의 작은 변화로 인해 베이스 전압은 작은 음의 값
⇒ 0인데 의 근사값은 대략 -1V 정도, ≃-1V
⇒ 이미터 전류 와 컬렉터 전압 의 근사값은 다음과 같이 계산
⇒ ≃-1V의 근사값을 사용하여 간단한 고장진단에 편리하게 적용
V
≃
E C B
(a) (b)
그림 5.17 트랜지스터의 이미터 바이어스
- 그림 5.17(b)의 회로에서 B-E 루프에 대해 키르히호프의 전압법칙(KVL)을 적용
⇒ 이미터 전류 는 식 (5.9)에 의해 계산 가능, 0
, ≃,
≃
,
5.3 기타 바이어스 회로 105
(5.9)
, ,
- ≫
, -≫일 때 는 와 에 무관하고 안정된 점 설정
≫
, ≃
≃
≫, ≃
【예제 5.6】그림 5.16의 회로에서 와 를 구하라. ≃-1V, ≃를 이용하라.
4.7kΩ
47kΩ
10kΩ +15V
-15V
그림 5.16 예제 5.6의 회로
≃
V
×
× A mA
× × V
V
■
【예제 5.7】그림 5.18의 회로에서 점와 이 얼마나 변화하는지 결정하라. 트랜 지스터가 교체되어 는 100에서 200으로 증가했다.
10kΩ 4.7kΩ +15V
-15V 47kΩ
그림 5.18 예제 5.7의 회로
100
≃
×
mA
× × V
× × V
V
200
≃
×
mA
× × V
× × V
V
×
×
×
×
■
5.3 기타 바이어스 회로 107
◉ 베이스 바이어스(Base Bias)
- 그림 5.19와 같이 단일 전원 를 사용하여 트랜지스터의 베이스를 바이어스
+
+
+
그림 5.19 트랜지스터의 베이스 바이어스
- 그림 5.19의 베이스 회로에 대하여 회로해석을 통해 베이스 전류 를 계산
⇒ 의 관계를 이용하여 식 (5.10)에 의해 를 계산
⇒ 식 (5.10)으로 구한 를 사용하여 식 (5.11)에 의해 를 계산
, ,
, ,
(5.10) (5.11)
- 주위 온도가 높아지면 가 증가하므로 식 (5.10)에 의해 가 증가
⇒ 가 증가하면 식 (5.11)에 따라 가 감소
⇒ 동작점 가 포화점 쪽으로 이동
- 주위 온도가 낮아지면 가 감소하므로 는 감소하고 는 증가
⇒ 동작점 가 차단점 쪽으로 이동
- 베이스 바이어스는 에 의존하여 동작점 를 변화시키므로 매우 불안정
⇒ 스위칭 동작을 요구하는 회로에 제한적으로 사용
【예제 5.8】그림 5.20의 베이스 바이어스 회로에서 온도 변화에 따라 점와 이 얼마나 변하는지 계산하라. 온도가 변함으로써 는 100에서 200으로 증가.
+12V
560Ω
330kΩ
그림 5.20 예제 5.8의 회로
100
×
× A mA
× mA mA
× × V
200
×
× A mA
× mA mA
× × V
×
×
×
×
- 동작점 가 에 의존하므로 선형 동작이 요구되는 회로에는 사용 불가
⇒ 스위칭 동작을 요구하는 회로에서만 사용
■
5.3 기타 바이어스 회로 109
◉ 이미터 피드백 바이어스(Emitter-Feedback Bias)
- 컬렉터 전류의 변화가 베이스 전압을 반대로 변화시키는 부귀환 바이어스 회로
⇒ 그림 5.21과 같이 베이스 바이어스에 이미터 저항 를 추가한 회로
⇒ 가 증가하면 가 증가하여 베이스 전압 이 증가
⇒ 가 증가하면
가 감소하고, 가 감소하여 가 감소
+
+
+
그림 5.21 이미터 피드백 바이어스
- 그림 5.21의 회로에서 B-E 루프에 대해 키르히호프의 전압법칙(KVL)을 적용
⇒ 이미터 전류 는 식 (5.12)에 의해 계산 가능
⇒ 가 에 의존하므로 불안정한 동작점 제공
, ≃,
≃
,
(5.12)
【예제 5.9】예제 5.8의 베이스 바이어스 회로에 1kΩ의 이미터 저항을 추가하여 이미터 피드백 회로로 변형하였다. 다른 모든 값들은 갖고 100인 트랜지스터를 사용하였다. 200인 트랜지스터로 교체하면 점와 이 얼마나 변 하는지 계산하라. 결과를 베이스 바이어스 회로와 비교하라.
+12V
560Ω
330kΩ
1kΩ
100
≃
×
mA
× × V
× × V
V
200
≃
×
mA
× × V
× × V
V
×
×
×
×
■
