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1. 실험 6장: 바이어스 회로의 동작 특성
1.1. NPN형 BJT 전압분배 바이어스 회로
NPN형 BJT 전압분배 바이어스 회로는 베이스 전류를 결정하기 위해 저항 분배 회로를 사용한다. 이 회로는 베이스 전류가 일정하게 유지되도록 설계되어 있다.
회로의 동작 특성을 분석해보면, 베이스 전류 I_BQ는 0.067mA로 일정하게 유지된다. 이에 따라 컬렉터 전류 I_CQ도 약 19mA 수준으로 일정하게 유지된다. 또한 컬렉터-베이스 전압 V_CBQ도 순방향 활성모드에서 포화모드로 변화함에 따라 점차 감소하는 것을 확인할 수 있다.
R_C 값이 증가함에 따라 컬렉터-에미터 전압 V_CEQ가 감소하는데, 이는 컬렉터 저항이 증가하면 컬렉터-베이스 전압이 감소하기 때문이다. 결과적으로 동작점이 순방향 활성모드에서 포화모드로 이동하게 된다.
이처럼 NPN형 BJT 전압분배 바이어스 회로는 베이스 바이어스 전류를 고정시킨 상태에서 컬렉터 저항 변화에 따라 동작점이 변화하는 특성을 가진다. 이를 통해 다양한 동작점 설정이 가능하여 회로 설계의 유연성을 확보할 수 있다.
1.2. PNP형 BJT 전압분배 바이어스 회로
PNP형 BJT 전압분배 바이어스 회로에 대해서는 다음과 같다.
PNP형 BJT 전압분배 바이어스 회로는 베이스 전압을 저항 분배 방식으로 인가하는 방식이다. [표 6-7]을 보면, 컬렉터 저항 RC의 값에 따라 동작점의 전류, 전압이 달라지는 것을 확인할 수 있다.
컬렉터 저항 RC가 증가함에 따라 베이스-에미터 전압 VBEq는 일정하게 유지되지만, 컬렉터-에미터 전압 VCEq와 컬렉터-베이스 전압 VCBq는 감소하게 된다. 이에 따라 동작점이 순방향 활성모드에서 포화모드로 이동하게 된다.
구체적으로 RC가 0.47kΩ일 때는 순방향 활성모드에서 동작하며, 베이스 전류 IBq는 -0.058mA, 컬렉터 전류 ICq는 -5.431mA, 베타 값은 93.64이다. 하지만 RC가 2.7kΩ으로 증가하면 동작점이 포화모드로 이동하여 베이스 전류 IBq는 -0.058mA, 컬렉터 전류 ICq는 -3.87mA, 베타 값은 66.72로 감소한다.
이를 통해 PNP형 BJT 전압분배 바이어스 회로에서는 컬렉터 저항 RC가 증가할수록 컬렉터-에미터 전압이 감소하면서 동작점이 순방향 활성모드에서 포화모드로 이동한다는 것을 알 수 있다.
1.3. NPN형 BJT 자기 바이어스 회로
NPN형 BJT 자기 바이어스 회로는 베이스 전류 Ib를 비교적 작게 유지하면서도 안정된 동작점을 얻을 수 있는 회로 구성이다. 이 회로에서는 전류의 변동에 따라 자동으로 바이어스 전압이 조절되어 동작점이 일정하게 유지된다.
[실험 6-3] NPN형 BJT 자기 바이어스 회로의 동작점 전류와 전압을 측정한 결과, 이미터 저항 RE가 증가함에 따라 베이스 전류 IB가 감소하고 컬렉터 전류 IC도 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라 베이스-이미터 전압 VBE와 컬렉터-이미터 전압 VCE도 점차 증가하여 순방향 활성모드에서 포화모드로 동작점이 변화하는 것을 관찰할 수 있었다.
구체적으로, RE가 0.47 kΩ일 때 IB는 0.09 mA, IC는 5.7 mA로 포화모드에서 동작하였고, RE가 증가할수록 IB는 0.034 mA, IC는 0.936 mA로 감소하며 순방향 활성모드로 전환되었다. 이는 RE 증가에 따라 자기 바이어스 효과가 커져 동작점이 포화영역에서 활성영역으로 이동하기 때문이다.
이러한 NPN형 BJT 자기 바이어스 회로의 동작 특성은 부하 변동이나 온도 변화에 강인한 안정된 증폭기 설계에 활용될 수 있다. 즉, 베이스 전류의 변화에 따라 자동으로 바이어스 전압이 조절되어 동작점이 일정하게 유지되므로 회로의 성능이 안정적이다.
1.4. PNP형 BJT 자기 바이어스 회로
PNP형 BJT 자기 바이어스 회로는 NPN형 BJT 자기 바이어스 회로와 동작 원리가 유사하다. PNP형 BJT에서 베이스 전압은 음의 값을 가지며, 이미터 저항 RE에 의해 음의 바이어스 전압이 발생한다. 이를 통해 트랜지스터의 베이스-이미터 전압 VBE가 결정된다.
PNP형 BJT 자기 바이어스 회로의 경우, [표 6-9]에서 볼 수 있듯이 이미터 저항 RE가 증가함에 따라 동작점의 베이스 전압 VBQ가 점차 음의 값으로 낮아지고, 이에 따라 이미터 전압 VEQ와 컬렉터 전압 VCQ도 음의 값으로 감소하게 된다. 이는 트랜지스터의 베이스-이미터 전압 VBE가 감소하여 베이스 전류 IBQ가 작아지기 때문이다.
특히, RE가 2.7kΩ인 경우에는 동작점의 베이스 전압 VBQ가 -2.09V, 이미터 전압 VEQ가 -1.405V, 컬렉터 전압 VCQ가 -8.331V까지 감소한다. 이러한 음의 전압이 인가되면 트랜지스터가 순방향 활성모드로 동작하...
