바이폴라 접합 트랜지스터 또는 BJT 전류 미러
바이폴라 접합 트랜지스터를 적용하는 데 자주 사용되는 회로는 전류 미러 라고 불리는데 , 이는 간단한 전류 조절기 역할을 하며 광범위한 부하 저항 에 걸쳐 부하에 거의 일정한 전류를 공급합니다 .
트랜지스터가 활성 모드 로 동작할 때 , 컬렉터 전류는 베이스 전류에 β를 곱한 값과 같습니다. 또한 컬렉터 전류와 이미터 전류의 비율을 α라고 합니다. 컬렉터 전류는 베이스 전류에 β를 곱한 값과 같고, 이미터 전류는 베이스 전류와 컬렉터 전류의 합이므로, α는 β로부터 수학적으로 유도될 수 있습니다. 대수적으로 계산하면 모든 트랜지스터에 대해 α = β/(β+1)임을 알 수 있습니다.
능동 트랜지스터를 통해 일정한 베이스 전류를 유지하면 β 비율에 따라 컬렉터 전류가 조절되는 방식을 이미 살펴보았습니다. α 비율도 이와 유사하게 작동합니다. 이미터 전류를 일정하게 유지하면, 트랜지스터가 액티브 모드를 유지할 만큼 충분한 컬렉터-이미터 전압 강하를 갖는 한 컬렉터 전류는 안정적이고 조절된 값으로 유지됩니다. 따라서 트랜지스터를 통해 이미터 전류를 일정하게 유지하는 방법이 있다면, 트랜지스터는 컬렉터 전류를 일정한 값으로 조절하게 됩니다.
BJT의 베이스-에미터 접합은 다이오드와 마찬가지로 PN 접합에 불과하며, "다이오드 방정식"은 순방향 전압 강하와 접합 온도가 주어졌을 때 PN 접합을 통과하는 전류량을 지정합니다.
다이오드 방정식 공식
접합 전압과 온도가 모두 일정하게 유지되면 PN 접합 전류는 일정합니다. 이러한 원리에 따라 트랜지스터의 베이스-이미터 전압을 일정하게 유지하면 온도가 일정할 때 이미터 전류도 일정합니다. 아래 그림을 예로 들어 보겠습니다.
VBE가 일정하면 IB, IE, IC도 일정해집니다.
이 일정한 에미터 전류를 일정한 α 비율로 곱하면, R load 의 저항 이 변해도 트랜지스터를 활성 모드로 유지할 수 있을 만큼 충분한 배터리 전압이 있는 경우, R load 를 통해 일정한 컬렉터 전류가 흐릅니다 .
트랜지스터의 베이스-이미터 접합에 걸리는 전압을 일정하게 유지하려면 순방향 바이어스 다이오드를 사용하여 약 0.7V의 일정 전압을 설정하고 아래 그림과 같이 베이스-이미터 접합과 병렬로 연결합니다.
다이오드 접합 0.7V는 일정한 베이스 전압과 일정한 베이스 전류를 유지합니다.
다이오드 양단의 전압 강하는 정확히 0.7V가 아닐 것입니다. 다이오드 양단에 떨어지는 순방향 전압의 정확한 양은 다이오드를 통과하는 전류와 다이오드 온도에 따라 달라지며, 모두 다이오드 방정식에 따릅니다. 다이오드 전류가 증가하면(예를 들어 R bias 의 저항을 줄여서 ) 전압 강하가 약간 증가하여 트랜지스터의 베이스-이미터 접합의 전압 강하가 증가하고, 이는 다이오드의 PN 접합과 트랜지스터의 베이스-이미터 접합이 서로 잘 정합되었다고 가정할 때, 이미터 전류를 같은 비율로 증가시킵니다. 다시 말해, 트랜지스터의 이미터 전류는 언제든지 다이오드 전류와 거의 같습니다. R bias 의 저항 값을 변경하여 다이오드 전류를 변경하면 트랜지스터의 이미터 전류도 그에 따라 증가합니다. 이미터 전류는 다이오드와 같은 방정식으로 표현되고 두 PN 접합 모두 동일한 전압 강하를 경험하기 때문입니다.
트랜지스터의 컬렉터 전류는 이미터 전류와 거의 같습니다. 일반적인 트랜지스터의 α 비율이 거의 1이기 때문입니다(1). 간단한 저항 조정으로 다이오드 전류를 설정하여 트랜지스터의 이미터 전류를 제어할 수 있다면, 트랜지스터의 컬렉터 전류도 제어할 수 있습니다. 다시 말해, 컬렉터 전류는 다이오드 전류를 모방하거나 반영 합니다 .
따라서 저항 R load를 통과하는 전류는 바이어스 저항에 의해 설정된 전류의 함수이며, 두 값은 거의 같습니다 . 이것이 전류 미러 회로의 기능입니다. R bias 값을 편리하게 조정하여 부하 저항을 통과하는 전류를 조절하는 것입니다 . 다이오드를 통과하는 전류는 간단한 방정식으로 나타낼 수 있습니다. 전원 전압에서 다이오드 전압(거의 일정한 값)을 뺀 후 R bias 의 저항으로 나눕니다 .
두 PN 접합(다이오드 접합과 트랜지스터 베이스-이미터 접합)의 특성을 더 잘 맞추기 위해 아래 그림(a)과 같이 일반 다이오드 대신 트랜지스터를 사용할 수 있습니다.
전류 미러 회로.
온도는 "다이오드 방정식"에서 중요한 요소이며, 두 PN 접합이 모든 작동 조건에서 동일하게 동작하도록 하려면 두 트랜지스터의 온도를 정확히 동일하게 유지해야 합니다. 이는 두 트랜지스터 케이스를 서로 맞대고 접착하는 개별 부품을 사용하여 쉽게 구현할 수 있습니다. 트랜지스터가 단일 실리콘 칩(소위 집적 회로 , 즉 IC )에 함께 제조되는 경우, 설계자는 두 트랜지스터 간의 열 전달을 원활하게 하기 위해 두 트랜지스터를 서로 가깝게 배치해야 합니다.
위 그림(a)에서 두 개의 NPN 트랜지스터로 표시된 전류 미러 회로는 레귤레이팅 트랜지스터가 배터리의 양극에서 부하로 전류를 강제로 흐르게 하는("소싱" 전류) 대신, 부하에서 접지로 전류를 끌어오기 때문에 전류 싱킹("싱킹" 전류) 유형이라고도 합니다. 접지된 부하와 전류 소싱 미러 회로 를 원한다면 위 그림(b)과 같은 PNP 트랜지스터를 사용할 수 있습니다.
저항은 IC에서 제작할 수 있지만, 트랜지스터는 제작하는 것이 더 쉽습니다. IC 설계자는 부하 저항을 전류원으로 대체하여 일부 저항을 피할 수 있습니다. 개별 부품으로 구성된 연산 증폭기와 같은 회로는 트랜지스터 몇 개와 저항 여러 개를 갖습니다. 집적 회로 버전은 트랜지스터 몇 개와 저항 몇 개를 갖습니다. 아래 그림에서 하나의 전압 레퍼런스인 Q1은 여러 전류원(Q2, Q3, Q4)을 구동합니다. Q2와 Q3이 동일 면적 트랜지스터인 경우 부하 전류 I load는 동일합니다. 2·I 부하가 필요한 경우 Q2와 Q3을 병렬로 연결합니다. 더 나은 방법은 Q2의 두 배 면적을 가진 트랜지스터 하나를 제작하는 것입니다. 그러면 전류 I3은 I2의 두 배가 됩니다. 즉, 부하 전류는 트랜지스터 면적에 따라 달라집니다.
여러 개의 전류 미러는 단일(Q1 - Rbias) 전압 소스에서 종속될 수 있습니다.
여러 개의 전류 미러의 경우 트랜지스터 기호를 가로지르는 베이스 전압선을 그리는 것이 일반적입니다!또는 위 그림의 Q4의 경우 두 개의 전류원이 단일 트랜지스터 기호와 연관되어 있습니다.부하 저항은 대부분의 경우 존재하지 않는다는 사실을 강조하기 위해 거의 보이지 않게 그려졌습니다.부하는 종종 다른 (다중) 트랜지스터 회로, 예를 들어 차동 증폭기의 이미터 쌍, 예를 들어 "간단한 연산 증폭기" 8장의 Q3과 Q4입니다. 종종 트랜지스터의 컬렉터 부하는 저항이 아니라 전류 미러입니다. 예를 들어 , 8장의 Q4 컬렉터의 컬렉터 부하는 전류 미러(Q2)입니다.
여러 개의 컬렉터 출력을 가진 전류 미러의 예는 8장의 모델 741 연산 증폭기의 Q13을 참조하십시오 . Q13 전류 미러 출력은 Q15와 Q17의 컬렉터 부하로 저항을 대체합니다. 이러한 예를 통해 집적 회로에서 전류 미러가 저항보다 부하로 더 선호됨을 알 수 있습니다.
검토:
- 전류 미러는 부하 저항을 통해 전류를 조절하는 트랜지스터 회로이며, 조절 지점은 간단한 저항 조정을 통해 설정됩니다.
- 전류 미러 회로의 트랜지스터는 정밀한 동작을 위해 동일한 온도를 유지해야 합니다. 개별 트랜지스터를 사용하는 경우, 케이스를 서로 접착하여 이를 구현할 수 있습니다.
- 전류 미러 회로는 기본적으로 두 가지 종류로 나뉜다. 전류 싱킹 구성은 조절 트랜지스터가 부하를 접지에 연결하고, 전류 소싱 구성은 조절 트랜지스터가 부하를 DC 전원 공급 장치의 양극 단자에 연결한다.