Transcript (7판)6장
1 Chapter 6 BJT 증폭기 Electronic Device (Floyd )- Ch. 6 2 목 표 증폭기의 개념 트랜지스터의 내부 파라미터 확인 및 응용 공통 이미터 증폭기의 동작 해석 공통 컬렉터 증폭기의 동작 해석 공통 베이스 증폭기의 동작 해석 다단 증폭기 동작 해석 차동 증폭기 동작 해석 Electronic Device (Floyd )- Ch. 6 3 6-1. 증폭기의 동작 • 바이어스의 목적 : 전류 및 전압의 변동을 교류 입력 신호의 응답내에서 발생할 수 있도록 Q점을 설정 • 소신호 증폭기 : Q점의 변동이 작은 교류 신호를 취급하는 증폭기 교류량 • 직류량의 표현 : IC, IE, VC, VE • 교류량 - 실효값, 첨두 값의 표현 : Ic, Ie, Vc, Ve - 순시값의 표현 : ic, ie, vc, ve • 저항 : 교류 – Rc, 직류 – RC, 내부저항 – r’ 교류량의 표현 Electronic Device (Floyd )- Ch. 6 4 선형 증폭기 • C1과 C2는 용량설 결합 커패시터 : 직류차단(RS와 RL변화에 따른 직류 변화 차단), 교류 통과 • 사인파의 컬렉터 전류가 증가 -> 컬렉터 전압 감소 • 베이스 전압과 컬렉터 전압은 항상 위상 반전 그래프 해석 전압분배 바이어스 증폭기 Electronic Device (Floyd )- Ch. 6 Q점에 대한 베이스 전류 및 컬렉터 전압, 전류의 관계 5 6-2. 트랜지스터 교류 등가 회로 • TR의 동작을 이해하기 위해 등가회로로 표현 • 등가회로는 TR의 동작상태를 표현하기 위해 여러 파라미터 이용 : r- , h그림의 화살표 방향은 반대(교재참조) r- 파라미터 r’ 파라미터 αDC βDC r’e r’b r’c 해 설 교류알파(Ic/Ie) 교류베타(Ic/Ib) 교류 이미터 저항 교류 베이스 저항 교류 컬렉터 저항 r-파라미터 등가회로 교류이미터저항 r 'e TR 기호와 r-파라미터 등가 관계 Electronic Device (Floyd )- Ch. 6 25mV (20C기준) IE 직류베타와 직류베타의 비교 6 h- 파라미터 • 제조사의 규격표에서 취급하는 파라미터 • 상대적으로 측정이 용이 • 등가회로는 TR의 동작상태를 표현하기 위해 여러 파라미터 이용 : r- , hh- 파라미터 hi hr hf ho 해 설 입력임피던스(저항) 전압귀환비 순방향 전류이득 출력어드미턴스 (컨덕턴스) 조 건 구 출력단자 입력개방 출력단락 입력개방 공통이미터 공통베이스 공통켈렉터 기본적인 교류 h-파라미터 h- 파라미터와 r-파라미터의 연관성 ac h fb ac h fe h-파라미터 hie, hre, hfe, hoe hib, hrb, hfb, hob hic, hrc, hfc, hoc 증폭기 구성에 따른 h-파라미터의 첨자 • h-파라미터를 r-파라미터로의 변환 r 'e hre hoe r 'c hre 1 hoe r 'b hie Electronic Device (Floyd )- Ch. 6 성 hre (1 h fe ) hoe 7 6-3. 공통 이미터 증폭기 • 공통 이미터 증폭기 : 높은 전압 및 전류이득 특성 • 그림 6-8 : 직류와 교류 동작이 결합되어 있으므로 각각 해석 공통 이미터 증폭기 Electronic Device (Floyd )- Ch. 6 8 직류 해석 • 직류 해석이므로 결합 C와 바이패스 C를 제거(C는 직류에서 개방) 베이스 입력저항은 RIN (base) DC RE (150)(560) 84k RIN (base)는 R2의 10배이상이므로 무시 R2 6.8k VCC VB 12V 2.83V 28.8k R1 R2 VE VB VBE 2.83V 0.7 V 2.13V IE VE 2.13V 3.80mA RE 560 I C I E이므로 VC VCC I C RC 12V (3.80mA )(1.0k) 12V 3.80V 8.20V 그러므로 VCE VC VE 8.20V 2.13V 6.07 V Electronic Device (Floyd )- Ch. 6 직류 등가회로 9 교류 등가 회로 • 가정 : 커패시터 C1, C2, C3는 이들 값이 신호 주파수에서 XC≈0Ω으로 가정함으로 유효단락으로 간주한다. • 교류 접지 : 직류전원은 접지로 대체(직류전압원 내부 저항이 0이므로) 교류 등가 회로 Electronic Device (Floyd )- Ch. 6 10 • 베이스에서 신호(AC) 전압 - 만약 교류 신호원의 내부 저항이 0 : 신호원의 모든 전압이 베이스단자에 인가 - 교류 신호원의 내부저항이 ≠ 0 : (1) 신호원 저항(RS), 바이어스 저항(R1∥R2), TR의 베이스 입력 저항(Rin(base)) 전체 입력저항은 Rin( tot) R1 R2 Rin(base) TR의 베이스 신호 전압은 Rin( tot) Vs Vb R R s in ( tot ) 만약 Rs Rin(tot)이면, Vb Vs Electronic Device (Floyd )- Ch. 6 교류 등가 베이스 회로 11 • 베이스 입력 저항 : 외부회로가 연결된 r-파라미터 모형 이용 베이스로 본 입력저항은 Rin( base) Vin Vb I in I b 베이스 전압은 Vb I e r 'e I e I c이므로 I b Ie ac Vb와 I b 를 대입하면 Rin( base) Vb I r' e e I b I e / ac I e를 삭제하면 Rin( base) ac r 'e 외부회로가 연결된 r파라미터 모형 • 출력 저항 : 컬렉터를 본 저항으로 컬렉터 저항과 거의 동일 Rout RC ( Rout RC r 'c ) Electronic Device (Floyd )- Ch. 6 12 전압 이득 • 이득 : 컬렉터의 교류 출력 전압(Vc)과 베이스의 교류 입력 전압(Vb)의 비 - 베이스에서 컬렉터까지의 전압이득 Av Vout Vc Vin Vb 여기서 Vc ac I e RC I e RC , Vb I e r 'e Av I e RC RC I e r ' e r 'e 전류 방향 반대 교류 전압 이득을 위한 등가회로 • 신호원에서 컬렉터까지의 전체 증폭기 이득을 구하기 위해서는 입력회로의 감쇠를 포함 • 감쇠 : 신호 전압이 회로를 거치면서 감소하는 것 • 전체 증폭기 이득 : 신호원에서 베이스까지의 감쇠와 베이스에서 컬렉터까지의 이득을 곱한 것 베이스 회로에서의 감쇠는 Rin( tot) Vb 감쇠 Vs Rs Rin(tot) 전체 전압이득 A'v 는 감쇠와 베이스와 컬렉터간의이득 Av의곱 Vb A'v Av Vs Electronic Device (Floyd )- Ch. 6 전체 이득 13 전압 이득 • 바이패스 커패시터(C2)의 영향 - 이미터 저항을 효과적으로 단락시켜 이미터를 교류 접지시킴 - 바이패스 커패시터로 인해 증폭기의 이득은 최대 Rc/r’e - 바이패스 커패시터의 용량은 충분히 커야 하며, 이로 인해 증폭기의 신호 주파수 범위에서 리액턴스는 RE에 비해 매우 적음.(10XC≤RE) • 바이패스 커패시터가 없는 경우 - 이미터가 교류 접지가 되지 않아 RE에 교류 신호가 나타나고, 그때의 전압이득은 - 교류 전압이득은 RE의 영향으로 감소 • 전압이득에서 부하의 영향 : - 부하 : 증폭기의 출력 또는 다른 회로에서 부하 저항으로 흐르는 전류의 양 - 전체 교류 컬렉터 저항은 Rc Av RC r ' e RE RC RL RC RL 전압이득 수식에서 RC 를 Rc 로 바꾸면 Av Rc r 'e Rc RC일때, 전압이득은 감소 RL RC이면, Rc RC이며 부하는 이득에 미영향 Electronic Device (Floyd )- Ch. 6 교류 부하 저항 14 전압 이득의 안정도 • 안정도 : 증폭기가 온도 또는 다른 인자들의 변화에도 설계 기준 값을 유지하는 척도 - RE를 바이패스 시켜 최대 전압이득을 얻지만 교류 전압이득(Av=RC/r’e)이 r’e에 의존 -> 안정도에 문제 - r’e는 IE에 의존하며, 온도에 따라 변화 - > r’e 증가하면 이득감소 -> 온도에 따라 이득이 불안정 - 바이패스 커패시터가 없으면 RE가 교류회로에 존재 R -> 이득(Av=RC/(r’e+RE))은 감소하나 r’e에 덜 의존 Av C - 만약 RE >> r’e이면, 이득은 실질적으로 r’e에 독립적 R E • 전압이득을 안정화 하기 위한 r’e 스왐핑 : - 스왐핑 : 최소의 저항값으로 전압이득의 감소없이 r’e의 영향을 최소화 하는 방법 - 바이패스 커패시터를 가진 RE와 갖지 않는 RE의 절충형 -> 안정된 이득을 얻을 수 있으며, r’e로부터의 영향을 RC 크게 줄이거나 무시 가능 Av r ' e RE 1 RE1 r 'e 이면 Av RC RE 1 • 증폭기 입력 저항에서 스왐핑의 영향 : - RE가 바이패스 되었을 때 교류 입력 저항은 Rin(base) ac r 'e - 스왐핑이 되면 Rin(base) ac (r 'e RE1 ) Electronic Device (Floyd )- Ch. 6 스왐핑 증폭회로 15 증폭기의 위상 반전 • 공통 이미터 증폭기의 컬렉터 출력 전압은 입력전압과 180° 위상차 발생 전류 이득 전류 방향 반대 베이스와 컬렉터 사이의 전류이득은 ac I c / I b 공통 이미터증폭기의 전체 전류 이득은 I Ai C Is 그림6 24에서 신호원으로 부터 흐르는 전체 전류는 Vs Is Rs Rin(tot) 전력 이득 전체 전력이득은 전체전압이득A'v 과 전체전류 이득Ai의곱 Ap A'v Ai 여기서 A'v Vc / Vs Electronic Device (Floyd )- Ch. 6 전체 전류 16 6-4. 공통 컬렉터 증폭기 • 공통 컬렉터 증폭기(이미터 폴로어) : 높은 입력저항과 전류이득 특성 • 그림 6-25 : 전압분배바이어스를 가진 이미터 폴로어로 입력신호는 베이스와 용량성 결합을, 출력신호는 이미터와 용량성 결합 • 위상 비반전 출력은 입력과 대략 동일 이미터 폴로어 Electronic Device (Floyd )- Ch. 6 17 전압 이득 전류 방향 반대 - 이미터폴로어의 전압이득 출력전압은 Vout I e Re 입력전압은 Vin I e (r 'e Re ) 전압이득은 Av I e Re Re 1 I e (r 'e Re ) r 'e Re 입력 저항 입력저항은 Rin(base) 교류 전압 이득을 위한 등가회로 Vin Vb I e (r 'e Re ) I in I b Ib I e I c ac I b이므로 Rin(base) ac I b (r 'e Re ) Ib I b를 삭제하면 Rin(base) ac (r 'e Re ) 만일 Re r 'e 이면 Rin(base) ac Re 전체입력저항은 Rin(tot) R1 R 2 Rin(base) Electronic Device (Floyd )- Ch. 6 출력 저항 부하를 제거하고 이미터폴로어의 이미터를 본 출력저항은 R Rout s RE ac 이미터폴로어의출력저항은 매우 낮음. 18 전류 이득 이미터폴로어의 전체 전류 이득은I e / I in 만약 전압분배바이어스 저항 R1과 R2의병렬 합성저항이 Rin(base)보다 훨씬 크다면, 대부분의전류가 베이스로 흐름. 그러므로 증폭기의전류이득은 트랜지스터의전류이득 ac에접근하며, 이는 I c / I b와 동일(바이어스 저항으로 극히작은 신호 전류만 전달) R1 R2 ac Re와 같다면 Ai ac Ie I in 전력 이득 전체 전력이득은 전체전압이득A'v 과 전체전류 이득Ai의곱 Ap Av Ai 여기서 Av 1이므로 Ap Ai Electronic Device (Floyd )- Ch. 6 19 달링턴 접속 전류 방향 반대 ac는 증폭기의입력저항을 결정하는 중요한 요소 입력임피던스를 증가시키기위한 방법 달링턴 접속 두 트랜지스터의켈렉터를 서로 접속시키고, 첫번째 TR 의이미터는 두번째 TR 의베이스에접속 이접속 방식은 ac의곱으로 표현 달링턴 접속 첫번째 TR 의이미터전류는 I e1 ac1 I b1 이이미터전류는 두번째 TR 의베이스 전류가 되고, 두번째 TR 의이미터전류는 I e 2 ac 2 I e1 ac1 ac 2 I b1 달링턴 접속의실효 전류 이득은 ac ac1 ac 2 RE r 'e 이면 Rin ac1 ac 2 RE Electronic Device (Floyd )- Ch. 6 20 6-5. 공통 베이스 증폭기 • 공통 베이스 증폭기 : 높은 전압이득과 전류이득은 최대 1 • 입력저항이 낮기 때문에 출력저항이 낮은 곳에 응용 유용 • 그림 6-30 : 커패시터 C2를 통해 베이스가 교류접지, 입력신호는 이미터와 용량성 결합을, 출력신호는 컬렉터와 부하저항에 용량성 결합, 위상 비반전 공통 베이스 증폭기 Electronic Device (Floyd )- Ch. 6 21 전압 이득 - 이미터와 컬렉터간의전압이득은 V V I c Rc Av out c Vin Ve I e (r 'e RE ) I e Rc Rc R c I e (r 'e RE ) r 'e RE r 'e Vin Ve I e (r 'e RE ) I in I e Ie 만일 Re r 'e 이면 Rin( emitter) r 'e ( RE 는 r 'e 보다 매우 크기떄문에 r 'e RE r 'e ) 출력 저항 이미터쪽으로 본 교류 컬렉터저항 r 'c 는 RC 와 병렬 r 'c RC이므로 Rout RC Electronic Device (Floyd )- Ch. 6 전류이득은 I c / I e I c I e이므로 전류이득은 1 입력 저항 입력저항은 Rin( emitter) 전류 이득 전력 이득 전체 전력이득은 Ap Av Ai이므로 여기서 Ai 1이므로 Ap Av 22 6-6. 다단 증폭기 • 두 개 또는 그 이상의 증폭기들은 종속 배열하여 연결 가능 -> 전체적인 전압 이득 증가가 목적 다단증폭기의 이득 종속접속된 증폭기의전체전압이득 A'v 는 각 단의전압 이득의곱 A'v Av1 Av 2 Av 3 Avn 데시벨 전압 이득 증폭기의전압이득은 데시벨로 표현 가능 Av ( dB) 20 log Av dB전체전압이득은 각 단의 dB 전압이득의합 A'v ( dB) Av1( dB) Av 2 ( dB) Avn ( dB) Electronic Device (Floyd )- Ch. 6 종속 접속 증폭기 23 다단 증폭기 해석 • 공통이미터 증폭기 2단이 용량성 결합 • 용량성 결합은 앞 단의 직류 바이어스가 다음 단에 영향을 미치지 못하게 함. • 동작 주파수에서 용량성 리액턴스가 0이 되어 교류는 감쇠 없이 통과 2단 공통 이미터 증폭기 Electronic Device (Floyd )- Ch. 6 24 부하의 영향 • 첫 단의 전압이득을 구하기 위해서는 둘째 단의 부하 영향을 고려 • 결합 커패시터 C3는 신호 주파수에서 효과적으로 단락 되기 때문에 두 번째 단의 전체 입력 저항은 첫 단의 교류 부하가 됨. 첫째 단의 전압 첫째단의교류 컬렉터저항은 Rc1 R3 R 5 R6 Rin(base2 ) 첫째단의베이스와 컬렉터간 전압이득은 R 1.63k Av1 c1 68.5 r 'e 23.8 두번째 단의 전압 둘째단은 무부하 저항이므로 교류 컬렉터저항은 R7 전압이득은 R 4.7k Av 2 7 197 r 'e 23.8 Electronic Device (Floyd )- Ch. 6 첫 번째 단의 교류 등가 회로 전체 전압 이득 출력이 무부하일때 증폭기의전체 이득은 A'v Av1 Av 2 (68.5)(197) 13.495 dB로 표현하면 A'v ( dB) 20 log( 13,495) 82.6dB 25 직접 결합된 다단 증폭기 • 직접 결합 다단 증폭기 : 결합 또는 바이패스 커패시터 존재않음. • 용량성 결합보다 저주파 응답 특성 우수 -> 리액턴스 영향 무 • 결점 : 온도의 영향이나 전원의 변화에 의해 직류 바이어스 전압에 영향을 주고 이 작은 변화가 다음 단에서 증폭이 되므로 심각한 오류 발생 2단 직접 결합 증폭기 Electronic Device (Floyd )- Ch. 6 26 6-7. 차동 증폭기 • 차동 증폭기 : 두 입력 전압 사이의 차의 함수인 출력이 나타나게 하는 증폭기 기본 차동 증폭기 Electronic Device (Floyd )- Ch. 6 27 기본 동작 전류 방향 반대 차동 증폭기의 기본 동작 Electronic Device (Floyd )- Ch. 6 28 기본 동작 1)두 개의입력이접지 IR V VEE I E1 I E 2 E 여기서 I RE E 2 RE I C I E이므로 I C1 I C 2 I RE 2 양쪽 컬렉터전류와 켈렉터저항이같으므로 (입력전압이0일때) VC1 VC 2 VCC I C1 RC1 2)입력 2는 접지, 정바이어스 전압을 입력1에공급 Q1베이스에정()전압은 I C1을 증가시키고,이미터전압을 상승 VE VB 0.7V Q2의베이스는 0V를 유지하므로 Q2의순방향 바이어스는 감소, I C 2도 감소 I C1의증가는 VC1을 감소, I C 2의감소는 VC 2를 증가 3)입력1은 접지, 정바이어스 전압을 입력 2에공급 정의바이어스 전압은 Q2를 더욱 전도시키므로 I C 2는 감소, 이미터전압은 상승 Q1의베이스는 접지되어있어트랜지스터의순방향 바이어스는 감소하므로 I C1도 감소 I C 2의증가는 VC 2를 감소시키고, I C1의감소는 VC1을 증가 Electronic Device (Floyd )- Ch. 6 29 신호 동작 모드 단일 입력 단일 입력 Electronic Device (Floyd )- Ch. 6 30 차동 입력 차동 입력 Electronic Device (Floyd )- Ch. 6 31 동상모드 입력 동상모드 입력 Electronic Device (Floyd )- Ch. 6 32 동상모드 제거비 • 원하는 신호가 한쪽 입력단자에만 공급되거나 또는 두 입력 단자에 상반된 위상으로 동시에 공급되면 증폭되어 출력 • 두 개의 입력단자에 동상으로 입력되면 출력이 안 나타남. • 동상모드 제거비(common-mode rejection ratio :CMRR) -> 동상모드 신호를 제거하는 증폭기의 성능 평가 기준 CMRR Av ( d ) Acm 데시벨로 표현하면 Av ( d ) CMRR 20 log Acm Electronic Device (Floyd )- Ch. 6 33 Electronic Device (Floyd )- Ch. 6