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1. JFET 바이어스 회로
1.1. 고정 바이어스 회로
고정 바이어스 회로는 JFET의 게이트-소스 전압 VGS가 독립된 직류 전원 VGG에 의해 결정되는 회로 구조이다. 이 회로에서 VGS는 고정된 크기를 가지게 되므로 "고정 바이어스 회로"라고 불린다.
고정 바이어스 회로의 구조를 살펴보면, VGG의 음극이 JFET의 게이트 단자에 직접 연결되어 있고 양극은 접지되어 있다. 또한 JFET의 소스 단자는 접지되어 있으므로, VGS는 VGG와 같은 크기의 음의 전압이 된다. 즉, VGS = -VGG가 된다.
이러한 고정 바이어스 회로에서 JFET의 드레인 전류 ID는 쇼클리 방정식에 의해 결정된다. 쇼클리 방정식은 ID = IDSS(1 - VGS/VP)^2의 형태로 나타나며, 여기서 IDSS는 VGS = 0일 때의 최대 드레인 전류, VP는 핀치오프 전압을 의미한다.
고정 바이어스 회로의 경우, VGS가 고정되어 있으므로 쇼클리 방정식에서 VGS 항은 상수로 처리할 수 있다. 따라서 ID는 IDSS와 VP에 의해 결정되는 고정된 값을 가지게 된다.
고정 바이어스 회로에서 JFET의 동작점은 쇼클리 방정식의 그래프와 VGS = -VGG를 나타내는 수직선의 교점으로 결정된다. 이 교점이 JFET의 Q점 또는 동작점이 되며, 이때의 ID와 VGS 값이 각각 IDQ와 VGSQ가 된다.
고정 바이어스 회로는 JFET의 동작점을 고정시킬 수 있다는 장점이 있지만, 외부 환경 변화나 JFET 특성의 편차에 따른 영향을 받을 수 있다는 단점이 있다. 따라서 실제 응용에서는 이러한 단점을 고려하여 회로 설계를 진행해야 한다.
1.2. 자기 바이어스 회로
자기 바이어스 회로는 JFET의 게이트-소스 전압 VGS가 드레인 전류 ID와 소스 저항 RS의 곱에 의해 결정되는 회로이다. 이 회로에서는 별도의 직류 전원 VGG를 사용하지 않고도 JFET을 바이어스할 수 있다는 장점이 있다.
자기 바이어스 회로의 경우, 드레인 전류 ID가 증가하면 소스 단자의 전압강하 IDRS도 증가하게 되어 VGS가 음의 값으로 커지게 된다. 이에 따라 JFET의 채널 폭이 좁아지면서 드레인 전류가 감소하게 된다. 이러한 음의 되먹임 작용으로 인해 JFET의 동작점이 안정화된다.
자기 바이어스 회로의 동작 원리를 살펴보면 다음과 같다. JFET의 게이트 단자는 접지되어 있고, 소스 단자에는 소스 저항 RS가 연결되어 있다. 따라서 JFET의 게이트-소스 전압 VGS는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
VGS = VG - VS = 0 - IDRS = -IDRS
이 식을 Shockley의 방정식에 대입하면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.
ID = IDSS(1 + IDRS/VP)^2
여기서 IDSS는 JFET의 포화 전류, VP는 JFET의 핀치오프 전압을 의미한다.
이 식을 그래프로 나타내면 원점을 지나는 직선 형태의 바이어스 선이 된다. 이 바이어스 선과 JFET의 드레인 특성 곡선의 교점이 JFET의 동작점(IDQ, VGSQ)이 된다.
자기 바이어스 회로에서 소스 저항 RS 값이 커질수록 바이어스 선의 기울기가 작아지며, 이에 따라 동작점의 드레인 전류 IDQ 값이 감소하게 된다. 또한 동작점의 게이트-소스 전압 VGSQ 값은 더욱 음의 값을 가지게 된다.
따라서 자기 바이어스 회로는 간단한 구조로 JFET을 안정적으로 동작시킬 수 있으며, 소스 저항 값 조절을 통해 동작점을 쉽게 제어할 수 있다는 장점이 있다.
1.3. 전압 분배기 바이어스 회로
전압 분배기 바이어스 회로는 저항 분압기를 이용하여 JFET의 게이트-소스 전압(VGS)을 결정하...
