【전자회로 기본Ⅰ】 15강 - BJT 바이어스 회로

0. 이전 이야기

 

14강에서는 증폭기와 스위치 역할을 하는 BJT에 대하여 학습하였음

트랜지스터의 증폭 작용이란 베이스 전류가 전류이득 β 배만큼 증가한 형태로 컬렉터 전류에 나타나는 현상으로 이는 트랜지스터의 선형영역, 즉 활성영역에서 일어나는 작용임

스위치 작용은 베이스 단자의 전압을 조절하여 컬렉터의 전압을 조절하는 것을 말함

차단 조건은 베이스 - 이미터 접합이 순방향 바이어스가 아닐 경우로 베이스 - 이미터 사이 전압이 0.7V보다 작을 때 발생함

포화 조건은 베이스에 전압이 인가되어 베이스 - 이미터 접합이 순방향 바이어스가 되면 컬렉터 전류는 베이스 전류에 전류이득을 곱한 만큼 흐르게 됨

이러한 스위치를 응용하면 LED On / Off 회로를 설계할 수 있음

 

https://nate0707.tistory.com/114

【전자회로 기본Ⅰ】 14강 - BJT 증폭기와 BJT 스위치

 

1. 직류 바이어스

 

- 바이어스

 

바이어스란 어떤 소자나 장치를 동작시키기 위해 인가해주는 전압이나 전류를 말함

트랜지스터의 바이어스가 적절하지 않을 경우 입력신호와 다른 모양의 신호가 출력될 수 있음

즉, 다이오드의 리미터처럼 신호의 일부분에 제한이 걸려 신호를 제대로 출력할 수 없는 경우가 발생함

 

선형 동작 : 출력 신호는 입력신호와 같은 모양이나 위상만 반전

 

 

비선형 동작 : 출력전압이 차단이나 포화에 의해 제한

 

 

- 컬렉터 특성 곡선

 

컬렉터 특성 곡선은 베이스 저항과 컬렉터 저항이 있는 기본 증폭회로에서 베이스에 인가하는 전압을 가변하여 얻어짐

 

 

이때 베이스 전류의 단위는 µA이고, 컬렉터의 전류는 mA인걸 통해 작은 베이스 전압의 차이가 큰 컬렉터 전압 차를 유발하는 걸 알 수 있음

 

- 직류 부하선

 

컬렉터 전류 $I_C$가 흐르지 않는 $V_{CE}$ 상의 차단점 $V_{CC}$에서 $I_C$가 더 이상 증가하지 않는 포화점까지 직전으로 연결한 선을 말함

 

 

Cutoff 지점 : Ic= 0, Vce = Vcc 인 차단점

SaturationCutoff 지점 : Ic = Ic(sat), Vce= Vce(sat) 인 포화점

직류 부하선은 트랜지스터의 동작 영역 중 활성영역을 표현함

 

예시)

$V_{BB}$를 조정하여 $I_B=200 \mu A$로 설정하면, $I_C= \beta_{DC} * I_B$이므로 $I_C=20mA$가 되고, $V_{CE}=10-0.02*220=5.6V$

 

 

즉, 같은 방법으로  $I_B$값을 변화시키며 $V_{CE}$값을 통해 동작점 $Q$를 찍으면 직류 부하선을 구할 수 있음

 

 

- 선형 동작

 

입력되는 소신호가 선형 영역에서 움직인다면 출력신호의 모양은 왜곡없이 온전한 모양으로 출력됨

 

 

예제)

입력되는 베이스 전류의 소신호가 200~400µA 사이의 범위를 갖는 사인 곡선일때

컬렉터 단자에 나타나는 전압 $V_{CE}$는 1.2~5.6V의 사인 곡선이 되고 동작점 Q는 3.4V가 됨

 

 

- 파형의 왜곡

 

동작점이 적절하게 설정되지 않을 경우 출력 신호에 왜곡이 발생할 수 있음

 

바이어스가 높게 설정되는 경우 : 동작점 Q가 너무 낮아져 입력신호가 특정 레벨보다 높은 신호에 대해서는 제한으로 인해 잘림

 

 

바이어스가 낮게 설정되는 경우 : 동작점 Q가 너무 높아져 입력신호가 특정 레벨보다 낮은 신호에 대해서는 제한으로 인해 잘림

 

 

입력신호가 많이 큰 경우 : 트랜지스터의 차단영역과 포화영역에 의해 신호의 위, 아래가 모두 잘림

 

 

2. 바이어스 회로의 종류와 특징

 

- 2전원 방식과 1전원 방식

 

트랜지스터를 동작시키기 위해서는 바이어스에 $V_{CC}$와 $V_{BB}$의 2개의 직류 전원이 필요함

실제적으로는 경제성과 안정성 때문에 2전원 방식보다 1전원 방식을 사용함

주로 $V_{CC}$를 이용하여 저항 분배로 베이스 단자에 전압을 조정함

 

- 고정 바이어스 회로

 

베이스 단자를 $V_{CC}$에 저항으로 연결한 회로로 가장 간단한 바이어스 회로임

$I_B=(V_{CC}-V_{BE})/R_B$이므로 $V_{CC}$가 주어지면 $I_B$는 거의 일정하게 되므로 고정 바이어스 회로라고 함

 

 

보통 온도가 올라가면 $I_C$가 올라가게 되는데 이에 따라 동작점이 변동됨

이는 출력 파형이 왜곡되거나 트랜지스터 온도가 계속 상승하는 열폭주 현상을 일으키기도 함

 

- 자기 바이어스 회로

 

자기 바이어스 회로는 컬렉터-귀환 바이어스 회로라고도 불림

베이스 바이어스 저항 $R_B$가 컬렉터 0 이미터 전압 $V_{BE}$에 연결된 회로임

$I_B ≒ (V_{CC} - I_CR_C-V_{BE})/R_B$

 

 

온도가 상승하면 $I_C$가 상승하여 $I_CR_C$가 증가하는데, 이에 따라 $V_{CE}$가 낮아지게 됨

$I_B$는 $V_{CE}$에 비례하므로 $I_B$가 감소하여 $I_C$가 감소하는 효과를 가져옴

즉, 온도 보상이 이루어지므로 고정 바이어스 보다는 온도 안정성이 좋음

 

- 전압분배 바이어스 회로

 

전압분배 바이어스는 베이스 입력 전압이 저항의 전압분배로 인가됨

다른 바이어스와는 달리 이미터 단자에 이미터 저항 $R_E$가 있음

온도가 상승하면 $I_C$가 상승하는데, 이에 따라 $I_E$도 상승하게되어 이미터 저항 $R_E$에 인가되는 전압이 증가함

즉, $V_{RA}$가 증가하게 되는데, 이는 바이어스 저항의 합성 저항값을 증가시켜 전류 $I_B$ 감소로 나타남

이는 온도 안정성이 매우 우수한 바이어스 회로임