Transistor의 기본이해

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. 기 본 개 념

‘Transistor' 란 무엇일까? 흔히 전기•전자 엔지니어들은 줄여 TR이라고 부릅니다.
지금부터 이 TR에 대해서 알아보겠습니다. 우리가 공부를 하면서 TR이라는 말은 수 없이 들어왔습니다.
그리고 회로에서도 TR의 쓰임새를 많이 보아왔습니다. 그럼 TR은 회로에서 어떤 역할을 하는 소자일까요.
저는 전력전자 시간에 발표자료 및 교수님 설명을 토대로 이 리포트를 적어 볼까합니다.

조사해야 될 Transistor와 6차 리포트 MOSFET 부분을 비교해 보았습니다.
TR(트랜지스터)의 종류에는 PnP형 트랜지스터 와 nPn 트랜지스터 로 나뉩니다

.

TR(트랜지스터) 기본동작 및 특성을 요약하면, 활성영역에서 베이스단자를 전류원으로 구동하면 비례적으로가 변화하고
전압원에서 구동하면 지수 함수적으로 컬렉터가 변화한다.

 

TR(트랜지스터)의 주요 용도는 스위칭과 증폭.

TR(트랜지스터)의 주요 용도 및 기능을 나누면 스위칭과 증폭입니다.

『첫째 증폭기 모드는 트랜지스터를 아날로그 영역에서 사용하는 것이며, 둘째의 스위치 모드는 트랜지스터를 디지털
영역에서 사용하는 것입니다. 디지털 IC나 컴퓨터 칩에서는 트랜지스터를 스위치 모드에서 동작 시킵니다. 반면에 라디오
IC나 오디오 IC, OP-AMP IC에서는 트랜지스터를 증폭기 모드로 동작 시킵니다.
[출처] 트랜지스터 이해|작성자 제일런 』

2. 직류 Bias 회로

직류 바이어스 회뢰를 알기 전에 “바이어스”란 무엇일까요?

바이어스는 쉽게 설명하자면 트랜지스터라는 부품의 동작을 원활하게 해주기 위해 베이스 단자에 미리 걸어두는 전기를 말합니다. 트랜지스터 중에는 PnP 형과 nPn 형이 있으며 주로 많이 사용하게 되는 nPn 형을 기준으로 설명하면 다음과 같습니다. nPn 형의 트랜지스터는 입력신호을 담당해야할 베이스 단자가 바이어스를 안 걸어둔 상태에서는 +형 신호에만 반응을 하는 문제가 있습니다. (-) 신호일 때에는 거들떠도 안 본다는 겁니다.

이 말은 즉, 그림[1-3]과 같이 나타납니다. 바이어스가 없을 경우에는 이어폰으로 들려오는 음향이 찌그러져서 나옵니다. 그 이유는 음향 자체가 +, -가 교차교대로 대칭되는 형태의 신호음이 대부분이며 상하 교대로 바뀌는 신호의 높이가 어느 한쪽이 높다거나, 낮지 않고 정확하게 대칭될수록 스피커나 이어폰을 통해 들리는 소리가 매끄러운 음향으로 들리게 되지만, 한쪽의 신호가 잘리게 되면 무척이나 듣기 불편한 상태로 변해버립니다.

예를 들어 바이어스를 걸어줄 경우에 바이어스 전압 1[V]가 할당 되었다고 하면, 베이스에 추가로 공급되는 신호 전압의 크기가 0.1[V]라고 하면 +쪽은 1.1[V]가, -쪽은 바이어스 전압에 신호전압의 - 하여, 0.9[V]가 걸리게 되어 비록 신호의 영향을 받아 흔들리긴 해도 0.9[V]에서 1.1[V] 사이의 플러스 전압이 유지됩니다. 이러한 이유는 그림[1-3]에 파형에서 잘 나타내고 있습니다.

직류 바이어스 회로에는

1) 베이스 바이어스 2) 이미터 바이어스 3) 전압분배 바이어스 4) 컬렉트 피드백 바이어스 로 나눌 수 있습니다.

1) 베이스 바이어스
    단일 바이어스 전원 VCC를 사용하여 트랜지스터가 활성역역에서 동작.
    베이스 바이어스 회로는 간다한 구조를 가지는 하나 동작점에 따라 크게 변하므로 안정도가 나쁘다.

2) 이미터 바이어스
    정(+)과 부(-)의 전압원 두 개를 이용하여 바이어스 하는 방법입니다.
    이미터 바이어스는 일반적으로 동작점이 안정도가 좋기는 하지만 (+)와 (-)의 두 극성의 직류전원이 필요하다는
    단점이 있다.

3) 전압 분배 바이어스
     동작점의 안정도가 우수하여 바이어스 방법으로 많이 사용됩니다.
     전압분배 바이어스는 단일 극성의 공급 전압원을 이용하여 동작점의 안정도가 매우 우수한 바이어스 방식이므로
     가장 널리 사용된다. 단, 베이스 입력저항의 크기에 따라 바이어스 회로의 해석이 달라진다는 유의한다.

4) 컬렉터 피드백 바이어스
    컬렉터 피드백 바이어스는 컬렉터의 베이스 사이에 음의 피드백을 걸어 동작점의 안정도를 높인 바이어스 회로이며
    회로가 간단한 구조이다.



3. CE 증폭 회로.

[표1-1]에서는 각 증폭회로의 특징을 알 수 있습니다.

각 증폭회로의 특징으로 첫 번째. 베이스접지회로는 별로 사용되지는 않으나, 저 입력저항을 가진 입력원 등의 증폭에 쓰입니다. 베이스접지회로는 단독으로 보다는 케스케이드 회로 등을 구성할 때 콜렉터회로를 앞단이나 뒷단에 넣어서
서로의 장점을 살리는 회로구성을 취합니다. (ex : 저 입력임피던스, 저 출력임피던스 회로)

두 번째. 에미터 접지회로는 일반적인 전압증폭회로에 가장 폭넓게 사용됩니다. 그 이유는 입출력임피던스가 가장
적당하고 전압이득도 적당하기 때문입니다. 출력임피던스가 높은 것은 뒷단에 콜렉터 접지회로를 삽입해서 얼마든지
단점을 보강할 수 있습니다.

마지막으로 세 번째. 콜렉터접지회로는 고 입력임피던스와 저 출력임피던스 특성 때문에 파워앰프의 출력단 또는
임피던스변환회로 등에 널리 쓰이고 있습니다.

시리즈 레귤레이터의 파워트랜지스터에 적용되는 회로도 사실은 콜렉터 접지회로입니다.
이러한 이유로 CE증폭기는 TR증폭기 중에서 가장 널리 활용되고 있습니다.

그럼 CE증폭기에서 Re의 역할은 무엇인가!? 증폭기의 이득과 임피던스 때문입니다.
이득 공식을 보시면 Re와 연관성이 있고, Re회로의 [입력임피던스]와 [출력임피던스]가 공통으로 묶여있어,
Re가 있으므로 인해 입력 임피던스의 경우는 커지고 출력 임피던스는 작아지게 됩니다.
이밖에도 Re가 있어서 DC신호의 리플 신호를 그라운드로 빼주는 역활도 합니다.

『※ 달링턴 회로 란!? 간단히 설명하여
2개의 트랜지스터를 직접 접속한 회로. 이것을 하나의 트랜지스터로 보았을 경우, 매우 높은 공통 이미터 전류 증폭률을 얻을 수 있고, 입출력 직선성도 좋게 되어, 따라서 큰 신호 증폭기로 이용됩니다.       (ex [그림◇] 달링턴 회로) 』

4. CC 증폭 회로

이미터 플로어 회로를 알기 전에, 증폭회로에서 커패시터(콘덴서) C1, C2, C3의 역할은 무엇인가!?
커패시터(콘덴서)는 기본적인 동작은 전기를 충•방전 역할은 합니다.
그러나 전기를 충•방전 이외에 직류전류를 차단하고 교류전류를 통과시키려는 목적도 가지고 있습니다.
그럼 증폭회로에서 각 커패시터（C1, C2, C3)는 어떤 역할은 할 것인가!?

TR(트랜지스터)이 증폭작용을 제대로 하기 위해서는 적당한 베이스 전압을 가해 줘야 하는데 이러한 것을 위에
배운 것과 같이 바이어스(bias)라고 합니다.

바이어스는 직류저긴 값으로 가해주게 되는데, 여기서 만약 C1(커패시터)을 생략하고 직접 입력을 주면 직류형이 들어가
베이스전압이 틀어지게 됩니다. 그래서 직류적으로 영향을 주지않고, 교류 신호만 통과시켜주는 역할을 하는데 이것을
결합용 콘덴서 라고 합니다. 여기서는 C1과 C3가 결합용 콘덴서에 속합니다.

그리고 C2는 증폭도를 높여주는 바이패스 콘덴서입니다. Re값이 높을수록 직류적으로 안정되지만 증폭도는 낮아집니다. 그래서 안정도는 높여주고, 교류적인 증폭도를 높여주기 위해 Re와 병렬로 콘덴서를 붙여 증폭도를 높여주는 역할을
합니다.

이미터 플로어란!? [그림1-6]과 같이 이미터에서 출력전압을 인출하는 회로를 이미터 플로어 라 합니다.
이미터 플로어의 특징으로는

• 전압이득의 약 1배이다.
• 입력저항이 높고 출력저항이 낮다.
• 주파수 특성이 좋다.
• 비직선 변형이 적다.
• 발진되기 쉽다. 등 나눠 볼 수 있습니다.

이 회로의 동작은 바이어스는 C1 커패시터를 통해 베이스에 입력이 들어갑니다.
출력은 이미터에서 C2커패시터와 연결되어 부하와 연결되어있고 컬렉터는 교류접지가 되어있습니다.
그럼 입력 베이스단에 신호가 들어가면 트랜지스터는 개방이 되고, 전류는 증폭이 되어 출력 이미터로 나오게 됩니다.
위에 [표 1-1]에서 보신거와 같이 공통컬렉터(CC)증폭기는 높은 입력저항을 갖고 있기 때문에 매우 유용한 회로를
만들 수 있습니다.
높은 입력저항으로 인해 이미터 플로어는 이 회로가 낮은 부하저항을 구동시킬 때, 부하의 영향을 최소화 시킬 수 있는
버퍼로 이용될 수 있습니다.

하지만 여기서 이미터 저항은 출력을 양단에서 얻기 때문에 결코 바이패스는 되지 않습니다.
출력저항은 매우 낮기 때문에 낮은 저항을 가지는 부하를 구동하는데는 아주 유용하게 쓰입니다.
전류이득은 공통컬렉터의 전류이득은 전압이득과 전류이득의 곱으로 표현됩니다.
 

<자료 출처 : http://blog.naver.com/soosaem?Redirect=Log&logNo=10048761199 [수샘스터디룸] >
<자료 출처 : http://blog.naver.com/tksvo?Redirect=Log&logNo=150047307676 [별 네이버 블로그] >

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