트랜지스터 바이어싱?! 뽀개버리기~ 오때?

트랜지스터 바이어싱

트랜지스터 바이어싱은 모든 AC 입력 신호가 트랜지스터에 의해 올바르게 증폭될 수 있도록 트랜지스터 DC 작동 전압 또는 전류 조건을 올바른 레벨로 설정하는 프로세스입니다.

바이폴라 트랜지스터의 정상 상태 작동은 베이스 전류, 콜렉터 전압 및 콜렉터 전류 값에 크게 좌우됩니다. 따라서 트랜지스터가 선형 증폭기로 올바르게 작동하려면 작동 지점 주위에서 적절하게 바이어스되어야 합니다. 부적절한 트랜지스터 바이어싱으로 인해 출력이 왜곡되기 때문입니다.

올바른 작동 지점을 설정하려면 적절한 입력 전류 및 컬렉터 전압 조건을 제공하는 바이어스 저항과 부하 저항을 선택해야 합니다. NPN이든 PNP든 바이폴라 트랜지스터의 올바른 바이어싱 지점은 일반적으로 DC 부하 라인을 따라 "완전 ON" 또는 "완전 OFF"라는 두 극단의 작동 사이에 있습니다. 이 중앙 작동점을 "정지 작동점", 줄여서 Q점 이라고 합니다.

바이폴라 트랜지스터가 Q 포인트가 작동 범위의 중간, 즉 차단과 포화 사이의 대략 중간에 있도록 바이어스되면 클래스 A 증폭기로 작동한다고 합니다. 이 작동 모드를 사용하면 입력 신호가 하나의 완전한 사이클을 통해 스윙할 때 왜곡 없이 증폭기 Q 포인트 주변에서 출력 전압이 증가하거나 감소할 수 있습니다. 즉, 입력주기의 전체 360o 에 대해 출력이 가능합니다.

그렇다면 트랜지스터의 Q-포인트 바이어싱을 어떻게 설정합니까? – 트랜지스터의 올바른 바이어싱은 일반적으로 베이스 바이어스(Base Bias) 라고 알려진 프로세스를 사용하여 달성됩니다 .

 

그러나 가능한 다양한 트랜지스터 바이어싱 배열을 살펴보기 전에 먼저 왼쪽에 표시된 전압 및 전류와 함께 기본적인 단일 트랜지스터 회로를 떠올려 보겠습니다.

"DC 바이어스 레벨"의 기능은 트랜지스터 베이스에 외부 입력 신호를 적용하지 않고 콜렉터 전류(IC)를 일정하고 안정적인 상태 값으로 설정하여 트랜지스터 Q점을 올바르게 설정하는 것 입니다 .

이 정상 상태 또는 DC 작동 지점은 회로의 DC 공급 전압(  Vcc  ) 값과 트랜지스터 베이스 단자에 연결된 바이어싱 저항기의 값에 의해 설정됩니다.

트랜지스터 베이스 바이어스 전류는 정상 상태 DC 전류이므로 커플링 및 바이패스 커패시터를 적절하게 사용하면 다음 트랜지스터 스테이지의 바이어스 조건에 영향을 미치는 다른 트랜지스터 스테이지의 바이어스 전류를 차단하는 데 도움이 됩니다. 베이스 바이어스 네트워크는 공통 베이스(CB), 공통 컬렉터(CC) 또는 공통 이미터(CE) 트랜지스터 구성에 사용될 수 있습니다. 이 간단한 트랜지스터 바이어싱 튜토리얼에서는 공통 이미터 증폭기에 사용할 수 있는 다양한 바이어싱 배열을 살펴보겠습니다.

공통 이미터 트랜지스터 바이어싱

트랜지스터 회로에 가장 자주 사용되는 바이어싱 회로 중 하나는 이미터 바이어스 회로의 자체 바이어스입니다. 하나 이상의 바이어스 저항을 사용하여 세 개의 트랜지스터 전류(IB)에 대한 초기 DC 값을  설정 합니다  . (  I C  ) 및 (  I E  ).

바이폴라 트랜지스터 바이어싱의 가장 일반적인 두 가지 형태는 베타 종속형 과 베타 독립형 입니다 . 트랜지스터 바이어스 전압은 트랜지스터 베타(  β  )에 크게 의존하므로 한 트랜지스터에 대한 바이어싱 설정은 베타 값이 다를 수 있으므로 다른 트랜지스터에 대해 반드시 동일할 필요는 없습니다. 트랜지스터 바이어싱은 단일 피드백 저항기를 사용하거나 간단한 전압 분배기 네트워크를 사용하여 필요한 바이어싱 전압을 제공함으로써 달성될 수 있습니다.

다음은 단일 공급 장치(  Vcc  )의 트랜지스터 베이스 바이어스 구성에 대한 5가지 예입니다.

트랜지스터의 고정 베이스 바이어싱

표시된 회로는 "고정 베이스 바이어스 회로"라고 불립니다. 왜냐하면 트랜지스터 베이스 전류 I B는 주어진 Vcc 값에 대해 일정하게 유지되고 따라서 트랜지스터 작동 지점도 고정되어 유지되어야 하기 때문입니다. 이 두 저항 바이어싱 네트워크는 고정 전류 바이어스를 사용하여 트랜지스터의 초기 작동 영역을 설정하는 데 사용됩니다.

이러한 유형의 트랜지스터 바이어싱 배열은 정상 상태 작동 조건이 트랜지스터 베타 β 값의 함수이기 때문에 베타 종속 바이어싱이기도 합니다. 따라서 바이어싱 지점은 트랜지스터의 특성과 동일한 유형의 트랜지스터에 대해 넓은 범위에 걸쳐 다양합니다. 트랜지스터는 정확히 동일하지 않습니다.

트랜지스터의 이미터 다이오드는 전류 제한 저항기 R B 를 통해 필요한 양의 베이스 바이어스 전압을 적용함으로써 순방향 바이어스됩니다 . 표준 바이폴라 트랜지스터를 가정하면 순방향 베이스-이미터 전압 강하는 0.7V가 됩니다. 그러면 R B 의 값은 간단하게 다음과 같습니다. (V CC – V BE )/I ​​B 여기서 I B 는 I C /β 로 정의됩니다 .

이 단일 저항 유형의 바이어스 배열을 사용하면 바이어스 전압과 전류가 트랜지스터 작동 중에 안정적으로 유지되지 않으며 크게 달라질 수 있습니다. 또한 트랜지스터의 작동 온도는 작동점에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.

 

수집기 피드백 바이어스

이 자체 바이어싱 콜렉터 피드백 구성은 트랜지스터에 필요한 DC 바이어스를 제공하기 위해 두 개의 저항기가 필요한 또 다른 베타 종속 바이어싱 방법입니다. 컬렉터-베이스 피드백 구성은 트랜지스터가 베타( β ) 값에 관계없이 활성 영역에서 항상 바이어스되도록 보장합니다 . DC 베이스 바이어스 전압은 콜렉터 전압 VC 에서 파생되므로 우수한 안정성을 제공합니다.

이 회로에서 베이스 바이어스 저항 R B 는 공급 전압 레일 Vcc 대신 트랜지스터 컬렉터 C 에 연결됩니다 . 이제 컬렉터 전류가 증가하면 컬렉터 전압이 떨어지며 베이스 드라이브가 감소하고 그에 따라 컬렉터 전류가 자동으로 감소하여 트랜지스터 Q 포인트를 고정 상태로 유지합니다. 따라서 이 컬렉터 피드백 바이어싱 방법은 저항 R B 를 통해 출력 단자에서 입력 단자로 직접적인 피드백이 있기 때문에 트랜지스터 주위에 네거티브 피드백을 생성합니다 .

바이어싱 전압은 부하 저항 R L 양단의 전압 강하에서 파생되므로 , 부하 전류가 증가하면 R L 양단의 전압 강하가 더 커지고 그에 따라 콜렉터 전압 V C 가 감소합니다 . 이 효과는 베이스 전류 I B 의 해당 강하를 유발하여 IC 를 다시 정상으로 되돌립니다 .

트랜지스터 콜렉터 전류가 감소하면 반대 반응도 발생합니다. 그런 다음 이 바이어싱 방법을 자체 바이어스라고 하며 이러한 유형의 피드백 바이어스 네트워크를 사용하는 트랜지스터 안정성은 일반적으로 대부분의 증폭기 설계에 적합합니다.

듀얼 피드백 트랜지스터 바이어싱

 이전 구성의 베이스 바이어스 네트워크에 추가 저항을 추가하면 베이스 바이어스 저항을 통해 흐르는 전류가 증가하여 베타( β ) 의 변화에 ​​대한 안정성이 더욱 향상됩니다  .

R B1 을 통해 흐르는 전류는 일반적으로 콜렉터 전류 I C 의 약 10%와 동일한 값으로 설정됩니다 . 분명히 이는 베타의 최소값인 β 에 필요한 기본 전류보다 커야 합니다 .

이러한 유형의 자체 바이어싱 구성의 장점 중 하나는 두 저항기가 자동 바이어싱과 Rf 피드백을 동시에 제공한다는 것입니다.

이미터 피드백 구성

자체 이미터 바이어싱이라고도 하는 이러한 유형의 트랜지스터 바이어싱 구성은 이미터 및 베이스 컬렉터 피드백을 모두 사용하여 컬렉터 전류를 더욱 안정화합니다. 이는 저항 R B1 및 R E 뿐만 아니라 트랜지스터의 베이스-이미터 접합이 모두 공급 전압 V CC 와 직렬로 효과적으로 연결되기 때문입니다 .

이 이미터 피드백 구성의 단점은 베이스 저항 연결로 인해 출력 이득이 감소한다는 것입니다. 컬렉터 전압은 "퇴행성 피드백"을 생성하는 피드백 저항 R B1 을 통해 흐르는 전류를 결정합니다 .

이미터에서 흐르는 전류 I E ( IC  + I B 의 조합 )는 R E 에 걸쳐 베이스-이미터 접합을 역바이어스하는 방향으로 전압 강하를 발생 시킵니다 .

따라서 이미터 전류가 증가하면 컬렉터 전류의 증가로 인해 전압 강하 I*R E 도 증가합니다. 이 전압의 극성이 베이스-이미터 접합을 역방향 바이어스하므로 I B는 자동으로 감소합니다. 따라서 이미터 전류 증가는 자체 바이어싱 저항이 없었을 때보다 적습니다.

일반적으로 이미터 저항 RE 양단에 강하되는 전압이 V CC 의 약 10%가 되고 , 저항 R B1 에 흐르는 전류가 컬렉터 전류 I C 의 10%가 되도록 저항 값이 설정됩니다 .

따라서 이러한 유형의 트랜지스터 바이어싱 구성은 상대적으로 낮은 전원 전압에서 가장 잘 작동합니다.

전압 분배기 트랜지스터 바이어싱

여기서 공통 이미터 트랜지스터 구성은 안정성을 높이기 위해 전압 분배기 네트워크를 사용하여 바이어스됩니다. 이 바이어스 구성의 이름은 두 개의 저항기 RB1 및 RB2 가 그림과 같이 트랜지스터 베이스 단자에 연결된 중심점 접합 을 사용하여 전원 전체에 걸쳐 전압 또는 전위 분배기 네트워크를 형성한다는 사실에서 유래합니다 .

이 전압 분배기 바이어싱 구성은 가장 널리 사용되는 트랜지스터 바이어싱 방법입니다. 트랜지스터의 이미터 다이오드는 저항기 R B2 에 걸쳐 발생된 전압 값에 의해 순방향 바이어스됩니다 . 또한, 전압 분배기 네트워크 바이어싱은 트랜지스터 베이스, 이미터 및 컬렉터 단자에 설정된 바이어싱 전압이 외부 회로 값에 의존하지 않기 때문에 트랜지스터 회로가 베타 변화와 무관하게 만듭니다.

저항 R B2 양단에 발생하는 전압 과 그에 따른 베이스 단자에 적용되는 전압을 계산하기 위해 직렬 저항에 대한 전압 분배 공식을 사용하면 됩니다.

일반적으로 저항기 R B2 의 전압 강하는 저항기 R B1 의 전압 강하보다 훨씬 작습니다 . 분명히 접지에 대한 트랜지스터 기본 전압 V B 는 R B2 양단의 전압과 동일할 것입니다 .

저항 R B2를 통해 흐르는 바이어스 전류의 양은 일반적으로 필요한 베이스 전류 I B 값의 10배로 설정되어 전압 분배기 전류 또는 베타 변화에 영향을 주지 않을 만큼 충분히 높습니다.

트랜지스터 바이어싱 의 목표 는 바이폴라 트랜지스터가 효율적으로 작동하고 왜곡되지 않은 출력 신호를 생성할 수 있도록 알려진 대기 동작 지점, 즉 Q점을 설정하는 것입니다. 또한 트랜지스터의 올바른 DC 바이어싱은 2개 또는 4개 저항기 바이어스 네트워크를 사용하는 실제 바이어싱 회로를 통해 초기 AC 작동 영역을 설정합니다.

바이폴라 트랜지스터 회로에서 Q점은   NPN 트랜지스터의 경우  ( V CE , IC ) 로 표시되고 PNP 트랜지스터의 경우 ( V EC , IC ) 로 표시됩니다  . 기본 바이어스 네트워크의 안정성과 이에 따른 Q점은 일반적으로 콜렉터 전류를 베타( β )와 온도 의 함수로 고려하여 평가됩니다 .

여기서는 저항성 네트워크를 사용하여 "트랜지스터 바이어스"를 위한 5가지 다른 구성을 간략하게 살펴보았습니다. 그러나 트랜지스터 베이스 단자에 모두 연결된 실리콘 다이오드, 제너 다이오드 또는 능동 네트워크를 사용하여 트랜지스터를 바이어스할 수도 있습니다. 원하는 경우 이중 전압 전원 공급 장치에서 트랜지스터를 올바르게 바이어스할 수도 있습니다.