Chapter 4 DC Bias-BJTs

학습 목표 -BJT 회로를 구성하는 데 필요한 지류 공급 능력 -BJT 회로에서 중요한 전압들을 측정하는 방법과 이를 이용한 회로의 상태 판단 -BJT 회로에서 포화 상태와 차단 상태 구분, 이들의 전압과 전류량들을 구분 -BJT 회로에서 부하선에 대한 이해 -BJT 증폭기 설계 능력 -BJT 스위칭 회로 동작에 대한 이해 -BJT 회로의 고장 진단에 대한 이해 -BJT 회로의 안정도에 영향을 미치는 요소들과 이들의 특성 및 주변 환경 변화에 대한 영향 이해

4.1 개요 ①교류 전압, 교류 전류, 교류 전력을 증가(증폭)시킨다는 것은 직류 전원으로부터 에너지를 변환한다는 의미 ②증폭기의 해석과 설계는 직류와 교류 성분을 모두 고려해야 함 ③중첩의 원리를 적용하여 직류와 교류에 대한 응답을 분리하여 처리 ④회로 설계 시에 직류 값을 결정하는 요인들이 교류 응답에도 영향을 미치며, 그 반대의 경우도 동일 ⑤원하는 직류 전류와 직류 전압이 결정되면 적절한 작동점을 결정하도록 회로를 구성 ⑥회로 설계 시에 시스템의 안정도를 결정 ▶Transistor의 중요한 기본 관계식 ▶Transistor의 회로 해석에서 가장 먼저 결정해야할 값은 를 알면 식(4.1)에서 식(4.3)까지의 관계를 이용하여 나머지 값들을 구함

4.2 작동점(Operating Point) ①Bias란 일정한 직류 전류, 직류 전압을 회로에 인가하는 방법을 의미 ②Transistor 증폭기는 Bias를 이용하여 소자의 특성 곡선상에 동작점(Operating Point)를 정하고, 그 특성 곡선 상에 정해진 동작점을 중심으로 인가된 교류 신호를 증폭 ③동작점이란 특성 곡선 상에 정해진 점(정지점) ▶[그림4.1]은 Transistor의 특성 곡선 상에 4개의 작동점을 보임 -Bias 설계란 Transistor의 특성 곡선 상에 4개의 동작점 중 어느 한 점에서 동작 또는 활성 영역 내에 다른 임의의 점을 설정하는 것 ▶[그림 4.1]의 특성 곡선 상에서 최대 정격은

▶[그림4.1]의 여러 작동점들의 차이를 살피고 작동점을 포함하는 Bias 회로에 대한 기본적인 개념을 학습 ①Q점이 A점인 경우(Bias가 인가되지 않은 경우), Transistor는 차단 상태(전류와 전압은 0) ②Q점이 B점인 경우, 입력 신호의 양(+)과 음(-)의 진폭에 따라 작동점에서 증폭하면서 전류와 전압 변화(차단과 포화 상태는 아님) 증폭률이 선형적 동작(전압과 전류의 진폭이 최대가 되는 가장 적절한 동작점) ③Q점이 C점인 경우, 출력 신호가 양(+)과 음(-)으로의 변화는 가능하지만 에 가장 근접한 값으로 제한됨로 비선형의 문제 발생 ④Q점이 D점인 경우, 양(+)의 방향으로 변하는 출력 전압은 최대 전압 값을 초과

▶BJT가 선형 (활성 영역)에서 동작하도록 Bias를 인가하려면 다음 사항을 고려 ①Base-Emitter 접합은 순방향 Bias(약 0.6~0.7[V] ②Base-Collector 접합은 역방향 Bias

4.3 고정 Bias 회로([그림 4.2]참조) ▶[그림 4.2]의 직류 해석에서 Capacitor는 이므로 개방 회로로 간주함으로써 교류 신호와 분리 ▶[그림 4.3]에서 입력과 출력 회로를 분리하기 위해(회로 해석을 목적으로) 2개의 전압원으로 분리, 이로 인해 를 출력단과 분리, 해석 용이

■Base-Emitter 경로([그림4.4]참조) kirchhoff의 전압 법칙 적용

■Collector-Emitter 경로([그림4.5]참조)

예제 4.1 [그림 4.7]의 고정 Bias 회로에서 다음 값을 구하라.

■트랜지스터 포화(Transistor Saturation) 되었다는 의미 Transistor 회로의 설계를 바꾸면 Transistor의 포화 조건도 바뀜 절대 최대 포화 값은 사양서에 기술되며 최대 Collector 전류 에 의해 정의 ▶고정 Bias 회로의 포화 전류

예제 4.2 [그림 4.7]에서 포화 전류를 구하라. 예제 4.1에서 , 이는 보다 작고 실제 설계에서 최대 전류 값의 절반

■부하선(Load Line) 해석 ①고정 Bias 회로에서 부하저항 로 구성된 부하선은 회로 방정식의 기울기를 정하며, 2개의 지점을 있는 선이 됨(부하선 해석) ②고정 Bias 회로에서 부하저항 가 작을수록 부하선의 기울기는 가파르다. ▶[그림 4.11a]의 회로에서 변수 와 의 부하선 식은

▶식(4.12)를 [그림 4.11b]에 겹쳐서 그려본다. ① 을 선택하여 수평축에 있는 값의 점을 찾는다. 이는 [그림 4.12]에 보인 직선상의 한 점인 를 찾아냄 ② 을 선택하여 수직축에 있는 값의 점을 찾는다.

▶식(4.13)과 식(4.14)에 의해 정해진 두 점을 연결하여 식(4.12)에 의해 정의된 직선을 그릴 수 있다. ▶[그림 4.12]에 그려진 직선은 부하저항 에 의해 정의됨므로 부하선(Load Line)이라고 함 ▶ 의 값을 구하면 동작점인 Q점을 구할 수 있다. [그림 4.13]와 같이 값을 바꾸어 값이 변하게 되면 Q점은 부하선 위 아래로 이동 [그림 4.14]와 같이 를 고정하고 를 변화시키면 부하선은 변화하며, 이 때 가 고정되어 있다면 Q점은 변화한다. [그림 4.15]와 같이 를 고정하고 를 변화시키면 부하선은 변화한다.

예제 4.3 [그림 4.16]의 고정 Bias 회로에서 주어진 부하선과 Q점에서의 를 구하라.

4.4 Emitter Bias 회로 Emitter Bias 회로는 고정 Bias 회로보다 안정도를 높이기 위해 Emitter 저항 를 사용

■Base-Emitter 경로(입력 방정식)([그림4.19]참조)

▶식(4.17)를 직렬로 연결된 회로로 그리면 그 결과는 [그림4.20]과 같다. 이 회로에서 에 관해 풀면 식(4.17)과 동일 ▶[그림4.21]에서 Emitter 저항을 Base에서 보면

■Collector-Emitter 경로(출력 방정식)

예제 4.4 [그림 4.23] Emitter Bias 회로에서 다음 값들을 구하라.

■개선된 Bias의 안정도 Emitter Bias 회로에 를 추가함으로써 Bias의 안정도를 개선. 즉, 온도나 와 같은 변화에 의한 DC Bias 전압과 전류의 영향을 적게 함 ▶예제 [4.5]를 통해서 Emitter Bias 회로가 고정 Bias 회로보다 개선된 사항을 살펴본다. 예제 4.5 [그림 4.7]과 [그림4.23]의 회로에서 인 경우에 대해 Bias 전압과 전류를 나타내는 표를 작성하고 비교하라, 가 증가할 경우에 의 변화를 비교하라.

■포화 Level [그림 4.24]와 같이 Collector와 Emitter를 단락시키고 Collector 포화 전류 을 계산 이 추가됨으로써 고정 Bias 회로에서 얻은 보다 감소 예제 4.6 예제 4.4의 회로에서 를 구하라.

■부하선 해석 ①Emitter Bias 회로의 부하선 해석은 고정 Bias 회로와 약간 다름 는 식(4.17)에 의해 결정되며, [그림4.25]의 가 됨( 로 표기) ▶부하선을 나타내는 Collector-Emitter 경로의 식은 다음과 같다. ▶ 이 되는 지점은 고정 Bias 회로 구성과 동일

예제 4.7 [그림 4.26a] 회로의 부하선을 [그림 4.26b]의 특성 곡선을 그려라. 인 경우에 동작점 Q에서의 를 구하라. Q점에서 를 구하라. d) c)에서 구한 값을 이용하여 필요한 저항 를 계산하고, 적절한 표준 저항을 제시하라.

4.5 전압 분배 Bias 회로 ①고정 Bias 회로, Emitter Bias 회로에서 는 Transistor의 (전류 증폭률)에 의해 결정 는 온도에 민감, 값은 고정되지 않으므로 의 영향을 덜 받거나 무관하도록 Bias 회로를 구성해야 하며, 이 회로가 전압 분배 Bias 회로. ▶전압 분배 Bias 회로를 해석하는 방법 : 정밀법, 근사법 ①정밀법 : 전압분배 Bias 회로가 구성되는 값들에 상관없이 사용 ②근사법 : 특정 조건이 만족될 때만 사용(직관적인 해석법)

■정밀 해석 ①[그림 4.28]의 직류 해석을 위해 [그림4.30]으로 다시 그렸다. ②Base 단자의 왼쪽을 [그림4.31]과 같이 다시 그릴 수 있다. ③Thevenin 등가회로 기법으로 다음과 같은 값들을 구할 수 있다.