BJT 이미터 및 컬렉터 귀환 바이어스 실험

본 내용은 " [경희대 A+] 실험 10. BJT의 이미터 및 컬렉터 귀환 바이어스 예비결과보고서 " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2024.01.08

문서 내 토픽

• 1. 이미터 바이어스 회로

  이미터 바이어스 회로는 고정 바이어스 회로에 이미터 쪽에 저항을 추가한 구조로, 베이스 입장에서 negative feedback을 발생시켜 동작점을 안정화시킨다. 베타 값 증가로 인한 컬렉터 전류 증가 시 이미터 전압이 상승하여 베이스 전류를 감소시키고, 이를 통해 컬렉터 전류 변화를 억제한다. 회로방정식 분석 결과 RE >> RB/β 조건에서 IC가 베타 값에 거의 영향을 받지 않으며, 이는 동작점 안정성을 크게 향상시킨다.

• 2. 컬렉터 귀환 바이어스 회로

  컬렉터 귀환 회로는 베이스 저항이 VCC에 직접 연결되지 않고 트랜지스터의 컬렉터 단자에 연결되는 구조이다. 베타 증가로 IC가 증가하면 VC가 감소하여 IB를 감소시키는 negative feedback이 발생한다. RE가 존재할 때 RC + RE >> RB/β 조건에서 IC가 베타와 무관해지며, 이미터 저항 추가로 추가적인 negative feedback을 얻어 더욱 안정적인 동작점을 형성한다.

• 3. BJT 동작점 안정성 비교

  세 가지 바이어스 구조의 동작점 안정성을 비교한 결과, 같은 베타 변화(3.31%)에서 이미터 바이어스 구조의 IC 변화는 3.711%, 컬렉터 귀환(RE=0)은 2.058%, 컬렉터 귀환(RE 존재)은 0.496%로 나타났다. 이는 이미터 저항이 존재하는 컬렉터 귀환 구조가 가장 안정적이며, 추가 저항으로 인한 전압강하로 이득이 감소하는 트레이드오프 관계를 보여준다.

• 4. 트랜지스터 특성 변화 분석

  2N3904와 2N2222 트랜지스터 교체 실험에서 베타 변화는 8.88%였으나, 컬렉터 전류 변화는 6.505%로 감소했다. 성능지수 S(β) = %ΔIC / %Δβ 계산 결과 이미터 바이어스는 0.733, 컬렉터 귀환(RE=0)은 0.319, 컬렉터 귀환(RE 존재)은 0.319로 나타나 회로 구조에 따른 베타 변화의 영향도 차이를 정량화했다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. 이미터 바이어스 회로

  이미터 바이어스 회로는 BJT 바이어스 회로 중에서 가장 안정적인 구조입니다. 이미터 저항을 통해 음의 피드백을 제공하여 온도 변화나 트랜지스터 특성 변화에 대한 보상이 우수합니다. 베이스 전류가 변하면 이미터 전류도 변하고, 이에 따라 이미터 저항에서의 전압강하가 변하여 베이스-이미터 간 전압을 자동으로 조절합니다. 이러한 자동 조절 메커니즘으로 인해 동작점이 안정적으로 유지되며, 회로의 신뢰성이 높습니다. 다만 이미터 저항으로 인한 전압 손실이 발생하고 회로 설계가 다소 복잡할 수 있다는 단점이 있습니다.

• 2. 컬렉터 귀환 바이어스 회로

  컬렉터 귀환 바이어스 회로는 컬렉터에서 베이스로 피드백 저항을 연결하는 방식으로, 자동 바이어스 조절 기능을 제공합니다. 컬렉터 전압이 증가하면 베이스 전류가 감소하고, 이는 컬렉터 전류를 감소시켜 컬렉터 전압을 낮추는 음의 피드백이 작동합니다. 이 회로는 구조가 간단하고 부품 수가 적어 경제적입니다. 그러나 이미터 바이어스 회로에 비해 온도 안정성이 낮고, 트랜지스터 특성 변화에 대한 보상이 상대적으로 약합니다. 저신호 증폭 회로에서는 적합하지만 고신뢰성이 요구되는 응용에는 제한적입니다.

• 3. BJT 동작점 안정성 비교

  BJT 동작점 안정성은 바이어스 회로 설계의 핵심 요소입니다. 이미터 바이어스 회로가 가장 우수한 안정성을 제공하며, 그 다음이 컬렉터 귀환 바이어스, 고정 바이어스 순입니다. 안정성 평가는 온도 계수, 트랜지스터 교체 시 동작점 변화, 전원 전압 변동에 대한 영향 등을 고려합니다. 이미터 바이어스는 이미터 저항의 음의 피드백으로 인해 이들 변수에 대한 보상이 뛰어나며, 안정화 계수가 가장 낮습니다. 실제 응용에서는 요구되는 안정성 수준과 회로 복잡도, 비용을 종합적으로 고려하여 적절한 바이어스 회로를 선택해야 합니다.

• 4. 트랜지스터 특성 변화 분석

  BJT의 특성은 온도, 제조 공정 편차, 사용 시간에 따라 변합니다. 주요 변화 요소는 베타(β) 값의 변동, 누설 전류(ICBO) 증가, 포화 전압 변화 등입니다. 온도 상승 시 베타는 증가하고 누설 전류는 지수적으로 증가하여 동작점이 불안정해집니다. 제조 공정 편차로 인해 같은 형번의 트랜지스터도 특성이 다를 수 있습니다. 이러한 특성 변화를 보상하기 위해 적절한 바이어스 회로 설계가 필수적입니다. 특히 이미터 저항을 포함한 바이어스 회로는 이러한 변화에 대한 자동 보상 기능을 제공하여 회로의 신뢰성과 재현성을 크게 향상시킵니다.