NPN 트랜지스터
NPN 트랜지스터는 증폭기 또는 전자 스위치로 작동할 수 있는 3단자, 3층 장치입니다.
이전 튜토리얼에서 우리는 표준 바이폴라 트랜지스터 (BJT)가 두 가지 기본 형태로 제공된다는 것을 확인했습니다. NPN ( Negative - Positive - Negative ) 구성과 PNP ( Positive - Negative - Positive ) 구성입니다 . 즉, NPN 트랜지스터와 PNP 트랜지스터 유형이 있습니다.
가장 일반적으로 사용되는 트랜지스터 구성은 NPN 트랜지스터 입니다 . 또한 바이폴라 트랜지스터의 접합부는 공통 베이스 , 공통 이미터 및 공통 컬렉터의 세 가지 방법 중 하나로 바이어스될 수 있다는 것을 배웠습니다 .
바이폴라 트랜지스터에 대한 이 튜토리얼에서는 아래에 주어진 트랜지스터 전류 흐름 특성과 함께 NPN 트랜지스터 구성의 예와 함께 바이폴라 NPN 트랜지스터 를 사용하는 "공통 이미터" 구성을 더 자세히 살펴보겠습니다 .
양극성 NPN 트랜지스터 구성
(참고: 화살표는 바이폴라 NPN 트랜지스터의 이미터 및 기존 전류 흐름, "아웃"을 정의합니다.)
바이폴라 NPN 트랜지스터의 구성 및 단자 전압은 위에 나와 있습니다. 베이스와 이미터 사이의 전압( V BE )은 베이스에서 양수이고 이미터에서 음수입니다. 왜냐하면 NPN 트랜지스터의 경우 베이스 단자는 이미터에 대해 항상 양수이기 때문입니다. 또한 컬렉터 공급 전압은 이미터( V CE ) 에 비해 더 양의 전압이어야 합니다 .
따라서 바이폴라 NPN 트랜지스터가 올바르게 작동하려면 컬렉터가 베이스 및 이미터 단자 모두에 대해 항상 더 긍정적이어야 합니다.
NPN 트랜지스터 연결
그런 다음 전압 소스는 그림과 같이 NPN 트랜지스터에 연결됩니다. 컬렉터는 장치를 통해 흐르는 최대 전류를 제한하는 역할도 하는 부하 저항 RL을 통해 공급 전압 V CC 에 연결됩니다.
베이스 공급 전압 V B 는 최대 베이스 전류를 제한하는 데 다시 사용되는 베이스 저항기 R B 에 연결됩니다.
따라서 NPN 트랜지스터에서는 트랜지스터 동작을 구성하는 베이스 영역을 통한 음의 전류 캐리어(전자)의 이동입니다. 왜냐하면 이러한 이동 전자가 컬렉터 회로와 이미터 회로 사이의 연결을 제공하기 때문입니다. 입력 회로와 출력 회로 사이의 이러한 연결은 트랜지스터 증폭 특성이 베이스가 컬렉터-이미터 전류에 가하는 결과적인 제어에서 나오기 때문에 트랜지스터 동작의 주요 특징입니다.
그러면 트랜지스터가 전류로 작동되는 장치(베타 모델)이고 트랜지스터가 "완전히 ON"으로 전환될 때 큰 전류( Ic )가 컬렉터와 이미터 단자 사이의 장치를 통해 자유롭게 흐른다는 것을 알 수 있습니다. 그러나 이는 작은 바이어스 전류( Ib )가 동시에 트랜지스터의 베이스 단자에 흘러 베이스가 일종의 전류 제어 입력 역할을 할 수 있는 경우에만 발생합니다.
바이폴라 NPN 트랜지스터의 전류는 이 두 전류( Ic/Ib ) 의 비율로 , 장치의 DC 전류 이득 이라고 하며 기호는 hfe 또는 현재는 베타 ( β )로 표시됩니다.
표준 트랜지스터의 경우 β 값은 최대 200까지 클 수 있으며, Ib가 입력을 제공하고 Ic가 출력을 제공 하므로 바이폴라 NPN 트랜지스터를 활성 영역에서 사용할 때 유용한 증폭 장치로 만드는 것은 Ic 와 Ib 사이의 큰 비율입니다. . 베타는 비율 이므로 단위가 없습니다.
또한 컬렉터 단자에서 이미터 단자까지의 트랜지스터 전류 이득 Ic/Ie를 알파 ( α ) 라고 하며 트랜지스터 자체(접합을 통해 확산되는 전자)의 함수입니다.
이미터 전류 Ie는 매우 작은 베이스 전류와 매우 큰 컬렉터 전류의 합이므로 알파( α ) 값은 1에 매우 가깝고 일반적인 저전력 신호 트랜지스터의 경우 이 값의 범위는 약 0.950입니다. 0.999까지
NPN 트랜지스터의 α와 β 관계
두 매개변수 α 와 β 를 결합함으로써 트랜지스터에 흐르는 서로 다른 전류 간의 관계를 제공하는 두 가지 수학적 표현을 생성할 수 있습니다.
베타 값은 고전류 전력 트랜지스터의 경우 약 20에서 고주파수 저전력 유형 바이폴라 트랜지스터의 경우 1000을 훨씬 넘는 수준까지 다양합니다. 대부분의 표준 NPN 트랜지스터에 대한 베타 값은 제조업체의 데이터 시트에서 확인할 수 있지만 일반적으로 범위는 50~200입니다.
베타 에 대한 위의 방정식은 Ic를 주제로 다시 배열할 수도 있으며 베이스 전류가 0( Ib = 0 )인 경우 결과적인 콜렉터 전류 Ic 도 0( β *0 ) 이 됩니다 .
또한 베이스 전류가 높으면 해당 콜렉터 전류도 높아져 베이스 전류가 콜렉터 전류를 제어하게 됩니다. 바이폴라 접합 트랜지스터 의 가장 중요한 특성 중 하나 는 작은 베이스 전류가 훨씬 더 큰 컬렉터 전류를 제어할 수 있다는 것입니다. 다음 예를 고려하십시오.
NPN 트랜지스터 예제 No1
바이폴라 NPN 트랜지스터의 DC 전류 이득( 베타 ) 값은 200입니다 . 4mA의 저항 부하를 전환하는 데 필요한 기본 전류 Ib를 계산하십시오.
따라서 β = 200, Ic = 4mA , Ib = 20μA 입니다 .
바이폴라 NPN 트랜지스터 에 대해 기억해야 할 또 다른 사항입니다 . 콜렉터 전압( Vc )은 콜렉터 -이미터 접합 사이의 트랜지스터를 통해 전류가 흐를 수 있도록 이미 터 전압( Ve ) 에 비해 더 크고 양수여야 합니다 . 또한 NPN 트랜지스터의 입력 특성이 순방향 바이어스 다이오드이므로 실리콘 장치의 경우 베이스와 이미터 단자 사이에 약 0.7V(1 다이오드 전압 강하)의 전압 강하가 있습니다.
그러면 NPN 트랜지스터의 기본 전압( Vbe )은 이 0.7V보다 커야 합니다. 그렇지 않으면 트랜지스터는 다음과 같이 주어진 기본 전류로 전도되지 않습니다.
여기서: Ib 는 베이스 전류, Vb 는 베이스 바이어스 전압, Vbe 는 베이스 이미터 전압 강하(0.7v), Rb 는 베이스 입력 저항입니다. Ib 가 증가하면 Vbe 는 0.7V까지 천천히 증가하지만 Ic는 기하급수적으로 증가합니다.
NPN 트랜지스터 예 No2
NPN 트랜지스터에는 DC 기본 바이어스 전압 Vb 가 10V이고 입력 기본 저항 Rb 가 100kΩ입니다. 트랜지스터에 흐르는 베이스 전류의 값은 얼마입니까?
따라서 Ib = 93μA 입니다 .
공통 이미터 구성.
포화 또는 차단 영역에서 트랜지스터에 대한 베이스 신호를 제어하여 부하 전류를 "ON" 또는 "OFF"로 전환하는 반도체 스위치로 사용될 뿐만 아니라 바이폴라 NPN 트랜지스터는 활성 영역에서도 사용할 수 있습니다. 이미터가 접지된 상태에서 베이스 터미널에 적용되는 작은 AC 신호를 증폭하는 회로를 생성합니다.
적절한 DC "바이어싱" 전압이 먼저 트랜지스터의 베이스 단자에 적용되어 선형 활성 영역 내에서 항상 작동할 수 있도록 하면 단일 스테이지 공통 이미터 증폭기라고 불리는 반전 증폭기 회로가 생성됩니다.
NPN 트랜지스터의 공통 이미터 증폭기 구성 중 하나를 클래스 A 증폭기라고 합니다. "클래스 A 증폭기" 작동은 베이스-이미터 접합을 순방향 바이어스하는 방식으로 트랜지스터 베이스 단자가 바이어스되는 작동입니다.
결과적으로 트랜지스터는 항상 차단 영역과 포화 영역 사이의 중간에서 작동하므로 트랜지스터 증폭기는 이 DC 바이어스 전압에 중첩된 모든 AC 입력 신호의 양과 음의 절반을 정확하게 재현할 수 있습니다.
이 "바이어스 전압"이 없으면 입력 파형의 절반만 증폭됩니다. NPN 트랜지스터를 사용하는 이 공통 이미터 증폭기 구성에는 많은 응용 분야가 있지만 일반적으로 프리앰프 및 전력 증폭기 스테이지와 같은 오디오 회로에 사용됩니다.
아래 표시된 공통 이미터 구성을 참조하면, 출력 특성 곡선 으로 알려진 곡선군은 베이스 전류( Ib ) 의 값이 다를 때 출력 콜렉터 전류( Ic ) 를 콜렉터 전압( Vce )과 연관시킵니다 . 출력 특성 곡선은 동일한 β 값을 갖는 트랜지스터에 대해 트랜지스터에 적용됩니다 .
DC "부하선"을 출력 특성 곡선에 그려서 다양한 베이스 전류 값이 적용될 때 가능한 모든 작동 지점을 표시할 수도 있습니다. AC 입력 신호를 증폭할 때 출력 전압이 위아래로 변할 수 있도록 Vce 의 초기값을 올바르게 설정해야 하며 , 이를 동작점 설정(Setting the Operating Point) 또는 정지 점(Quiescent Point) , 줄여서 Q-점 이라고 하며 이를 아래에 나타냅니다.
단일 스테이지 공통 이미터 증폭기 회로
일반적인 바이폴라 트랜지스터의 출력 특성 곡선
주목해야 할 가장 중요한 요소는 Vce가 약 1.0V보다 클 때 컬렉터 전류 Ic 에 대한 Vce 의 영향입니다. Ic는 이 값 이상의 Vce 변화에 크게 영향을 받지 않고 대신 베이스 전류 Ib 에 의해 거의 완전히 제어된다는 것을 알 수 있습니다 . 이런 일이 발생하면 출력 회로가 "정전류 소스"의 회로를 나타낸다고 말할 수 있습니다.
또한 위의 공통 이미터 회로에서 볼 수 있듯이 이미터 전류 Ie 는 콜렉터 전류 Ic 와 베이스 전류 Ib를 더한 값이므로 공통 이미터에 대해 Ie = Ic + Ib 라고 말할 수도 있습니다 ( CE) 구성.
위 예의 출력 특성 곡선과 옴의 법칙을 사용하면 부하 저항을 통해 흐르는 전류( R L )는 트랜지스터에 들어가는 컬렉터 전류 Ic 와 동일하며 이는 차례로 공급 전압에 해당합니다. ( Vcc )에서 컬렉터와 이미터 단자 사이의 전압 강하( Vce )를 빼면 다음과 같이 계산됩니다.
또한, 트랜지스터의 동적 부하선 (Dynamic Load Line)을 나타내는 직선은 Vce = 0일 때 의 “포화” 지점( A ) 에서 Vce = 0 일 때 의 “컷오프” 지점( B ) 까지 위의 곡선 그래프에 직접 그릴 수 있습니다. Ic = 0 이므로 트랜지스터의 "작동" 또는 Q-점을 제공합니다 . 이 두 점은 직선으로 연결되며 이 직선을 따른 모든 위치는 트랜지스터의 "활성 영역"을 나타냅니다. 특성 곡선에서 부하선의 실제 위치는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.
그런 다음 공통 이미터 NPN 트랜지스터 의 컬렉터 또는 출력 특성 곡선을 사용하여 Vce 및 베이스 전류 Ib 가 주어지면 컬렉터 전류 Ic 를 예측할 수 있습니다 . 베이스 전류 조정을 통해 설정할 수 있는 적절한 작동 또는 Q 포인트를 결정하기 위해 곡선에 로드 라인을 구성할 수도 있습니다 . 이 부하선의 기울기는 다음과 같이 주어진 부하 저항의 역수와 같습니다. -1/R L
그런 다음 NPN 트랜지스터를 일반적으로 "OFF" 상태로 정의할 수 있지만 이미터( E )에 비해 베이스( B ) 의 작은 입력 전류와 작은 양의 전압으로 인해 이를 "ON"으로 설정하여 훨씬 큰 컬렉터-이미터 전류를 허용합니다. 흐르다. NPN 트랜지스터는 Vc 가 Ve 보다 훨씬 클 때 전도됩니다 .
바이폴라 트랜지스터 에 대한 다음 튜토리얼에서는 PNP 트랜지스터라고 불리는 NPN 트랜지스터 의 반대 또는 보완적인 형태를 살펴보고 PNP 트랜지스터의 극성(또는 바이어스)을 제외하고는 바이폴라 NPN 트랜지스터와 매우 유사한 특성을 가지고 있음을 보여줍니다. 전류와 전압의 방향이 반대가 됩니다.