바이폴라 트렌지스터 (BJT) 구동원리
198
Bipolar Transistor
BJT
(Bipolar Junction Transister)
1.BJT의 구조 및 동작모드
BJT란?
- 기본적으로 2개의 P-N접합의 결합으로 구성.
- n 또는 p 영역이 2개의 p-n 접합에 공통되는 p-n-p형의 트랜지스터 또는 n-p-n형의 트랜지스터.
BJT의 구조
◆BJT의 기본구조
- 바이폴라 트랜지스터(BJT)는 N형과 P형으로 도핑된 3개의 반도체 영역과 이들에 의해 형성되는 두개의 PN접합으로 구성
- 각 도핑영역: 이미터(Emitter), 베이스(Base), 컬렉터(Collector)라고 불림
- BJT는 도핑 형태에 따라
PNP형, NPN형
BJT의 구조
Detail 2
Detail 1
BJT 기본구조
- 도핑농도: (이미터)> (베이스)> (컬렉터)
- 이미터: 전류운반 캐리어(전자 또는 정공)를 제공
- 컬렉터: 베이스 영역을 지나온 캐리어가 모이는 영역
- 베이스: 이미터에서 주입된 캐리어가 컬렉터로 도달하기 위해 지나가는 영역 BJT의 전류
증폭률을 크게 만들기 위해 폭이 매우 얇게 만들어진다.
Detail 2
BJT 회로 기호와 전류, 전압의 극성
-NPN형 -PNP형
BJT의 구조 및 동작모드
Detail 3
활성모드
- B-E 접합은
- B-C 접합은
- 예를 들어 일 때
되어 활성모드임
Title
활성모드의 회로
- 기본회로와 전류성분
Title
활성모드의 컬렉터 전류
- 상온 300도 일정한 값을 갖는 열전압이고, 는 역방향포화전류
- 에 의해 제어되는 전압제어 전류원 모델링 가능
- 와 는 선형 동작영역
Title
활성모드에서의 베이스이미터 전류
- 활성모드에서 베이스 전류와 컬렉터 전류는 선형성을 갖음
- 베이스 전류와 컬렉터 전류의 증폭률을 라고 함
- 이미터 전류는 베이스와 컬렉터 전류의 합
Title
- 이미터 전류와 컬렉터 전류, 베이스 전류의 관계
- 이미터 전류와 컬렉터 전류의 비
- 는 공통 베이스 전류이득이며, 와의 관계는
- 가 1에 가까워지면 가 커짐
Title
차단모드
- 가 되어야 함. 즉
- 이므로 컬렉터 전압은 임. 즉
- 개방형 스위치로 동작
Title
BJT의 차단모드 전압조건과 전류
포화모드
- B-E접합과 B-C접합이 모두 순방향 바이어스인 경우
- 가 되는 순간, 즉 이 되는 순간 포화모드가 됨
- 는 활성모드의 보다 매우 작아짐
Title
Key players
Bias란?
- 바이어스(bias)는 트랜지스터 증폭기에 직류 전압을 가하여 직류 전류를 흘려줌으로써 증폭기로 동작할 수 있도록 하는 것을 말하며 트랜지스터의 증폭 작용은 적당한 직류 전압이 공급되고 직류 전류가 흐르는 상태에서 가능하다.
2.바이어스 회로
- 바이어스 (bias)는 입력에 신호를 인가하였을 경우 출력 파형이 어떤 형태로 나타나는가를 결정짓는 중요한 역활을 한다. 그리고 바이어스 점의 선택에 따라 증폭 종류가 분류된다.
트랜지스터의 Bias회로
Title
:트랜지스터의 동작점(Q 점)을 고정시키기 위해 구성되는 회로
★동작점은 트랜지스터의 동작 전원 상태를 나타내며 저항과 전류의 동작 값을 나타내는 점으로써 부하선 상에 위치하며, 예측이 가능하고 부하선상의 특정한 점으로 고정되고 온도 변화에 무관하며 트랜지스터 교체 등에 따른 변동이 없어야 합니다
고정 바이어스 회로
단일의 전력원 (베터리)이 콜렉터와 베이스에 사용되며 Vcc = IbRb + Vbe
그러므로,
Ib = (Vcc - Vbe)/RB
Vcc가 Rb의 값에 따라 고정되어 있으므로, 베이스 전류 Ib는 변하지 않습니다
또한 이 회로에서는
Vcc = IcRc + Vce
이므로,
Vce = Vcc - IcRc
이다.
- 미리 고정된(Fixed) 바이어스 전원으로 직류 전류(전압)을 가해주는 방식
- 실제적으로는 주 전원에 저항을 통해 바이어스 전류가 흐르도록 구성
Title
고정 바이어스 회로의 장단점 및 용도
장점: -베이스 저항 (RB)을 바꿈으로써 active
region(작동 영역)안에서는 작동 지점을
얼마든지 바꿀 수 있다
- 소자 몇개로 구성할 수 있다.
Title
단점: -콜렉터 전류는 온도나 전원의 공급 전압에
의해 바뀌므로 일정하지 않게 되서 작동 지
점이 불안정하게 된다.
-Vbe가 변하면 Ib도 같이 변하게 되고 Ie도
다같이 변하게 되서. 이득(gain)값을 변하
게 한다
용도:위에 나와있는 단점들 때문에, 선형 회로에서 잘 사용되지 않지만, 트랜지스터가 스위치로 사용되는 회로에 자주 사용된다.
전압분배 바이어스 회로
- 베이스 회로가 두 저항(R1,R2)에 의해 전압 분배됨
- 증폭기에 폭넓게 사용되는 바이어스 회로
Title
전압 분배라는 것은 외부 저항 R1 과 R2 를 사용하는 것이다. 저항 R2에 걸리는 전압은 이미터 접합에서 순방향 바이어스 이다. 저항 R1 과 R2를 잘 선택함에 따라, 트랜지스터의 작동점을 β에 무관하게 만들 수 있다. 이 회로에서, 전압 분배기는 베이스 전압을 베이스 전류에 관계없이 고정시키는 역할을 한다. 하지만 베이스 전압이 고정되어 있어도 컬렉터 전류는 온도 등에 따라 바뀌게 된다. 그러므로 Q-point를 안정화 시키기 위해 이미터 저항을 추가한다
전압분배 바이어스의 회로의 장단점 및 용도
장점:-다른 회로들과 다르게, DC 전압만이 필요하다.
-작동점이 β의 변화에 거의 무관하다
-작동점이 온도의 변화에 거의 무관하다.
Title
단점: -전류에 비례해서 전압을 입력 쪽에 귀환하기
위해서 이미터에 저항 R3을 접속하므로, 전압
이득이 나빠짐.
용도:위에 나온 이 회로의 안정성과 장점 때문에
다양한 선형회로에 사용된다
이미터 바이어스 회로
- 이미터 전류를 일정하게 고정 유지 (RE가 삽입됨)
- Q 점이 트랜지스터 전류이득 변화에 영향을 받지않도록 하며 IC,VCE 값이 β 값에 거의 영향을 받지 않으므로,`베타 독립`(beta-independent)라고도 함
Title
이미터 바이어스
회로의 장단점
장점: -β와 온도변화에도 작동점이 안정적이다.
-전원 전압, 베이스-이미터 간 전압의 변동에
대해 안정도가 비교적 높다.
Title
단점: -전류에 비례해서 전압을 입력 쪽에 궤환하기
위해서 이미터에 저항 Re를 접속하므로, 전압
이득이 나빠진다.
컬렉터 Feedback
바이어스
- 베이스 전류를 전원으로부터 직접 얻지 않고 소자의 컬렉터로 부터 얻는다.
- 열 폭주(thermal runaway)를 막고 작동지점에 안정성을 높이기 위해 쓰는 방법
Title
Feedback : 증폭 회로에서 출력의 일부를 입력측으로 되돌리는 것
콜렉터 전압 : 베이스-에미터 접합에 바이어스를 걸기 위한 것
컬렉터 Feedback
바이어스 회로의
장단점
장점: - 동작점이 매우 안정되 있다
- 구성소자의 수가 작다
Title
단점: - 고정 바이어스 방식에 비해 안정하나
입력 임피던스가 낮게 되고 Vce의 변
화를 이용하고 있으므로 주위 온도가
변하면 Vce가 변해버린다
BJT의 소신호 등가회로
3.BJT의 소신호 등가회로
■전달컨덕턴스와 공통이미터 회로의 소신호 전류이득
- 베이스와 이미터 사이의 전압변화
-베이스와 이미터 사이의 전압변화
-테일러 급수를 이용한 근사
(테일러 급수란 도함수들의 한 점에서의 값으로 계산된 항의 무한합으로
해석함수를 나타내는 방법이다.)
전달컨덕턴스와 공통이미터 회로의 소신호 전류이득
- B-E 전압의 변화에 대한 컬렉터 전류의 변화:
- 이때 의 변화가 작은 경우 에 수렴하며 기호로
- 를 이용한 컬렉터 전류 변화량 표현
Title
■소신호 공통 이미터 전류이득
- 소신호 전류이득
Title
■소신호 등가모델
- 하이브리드-π 소신호 등가모델
-베이스와 이미터 사이의 저항성분: (소신호 베이스 입력 저항)
-컬렉터 전류 변화:
- 와 베이스 전류 변화 의 비:
- 의 정의:
- 하이브리드-π 저주파 소신호 등가모델
-얼리효과: 컬렉터 전류 때문에 컬렉터 전압이 증가하는 현상
-기호: (소신호 출력 저항)
Title
r 파라미터 소신호 등가모델
- 하이브리드 -π가 일반적으로 사용되나, 경우에 따라
r 파라미터 소신호 등가모델이 사용됨
- 옴의 법칙과 같은 회로 기본법칙을 적용
공통 베이스 소신호 전류 증폭률:
소신호 이미터 저항(이미터-베이스 전압 , 이미터 전류 비 ):