이상적인 트랜지스터는 신호 증폭 시 왜곡이 0%입니다. 이득은 모든 주파수로 확장됩니다. 또한 수백 도의 온도에서 수백 암페어의 전류를 제어할 수 있습니다. 하지만 실제로는 왜곡이 발생합니다. 증폭은 고주파수 영역에서 제한됩니다. 실제 부품은 수십 암페어만 처리할 수 있으므로 주의가 필요합니다. 더 높은 전류를 위해 트랜지스터를 병렬 연결할 때는 주의해야 합니다. 고온에서 작동할 경우, 주의하지 않으면 트랜지스터가 파손될 수 있습니다.
비선형성
클래스 A 공통 이미터 증폭기(이전 그림과 유사)는 아래 그림에서 거의 클리핑될 때까지 구동됩니다. 양의 피크가 음의 피크보다 더 평평하다는 점에 유의하십시오. 이러한 왜곡은 고음질 오디오와 같은 많은 애플리케이션에서 용납될 수 없습니다.
대신호 공통 에미터 증폭기의 왜곡.
소신호 증폭기는 트랜지스터 특성의 작은 선형 구간을 사용하기 때문에 상대적으로 선형적입니다. 대신호 증폭기는 β와 같은 트랜지스터 특성이 일정하지 않고 컬렉터 전류에 따라 변하기 때문에 100% 선형적이지 않습니다. β는 컬렉터 전류가 낮을 때는 높고, 매우 낮거나 높을 때는 낮습니다. 하지만 컬렉터 전류가 증가함에 따라 β가 감소하는 경우가 주로 나타납니다.
온도 드리프트
온도는 트랜지스터의 AC 및 DC 특성에 영향을 미칩니다. 이 문제의 두 가지 측면은 환경 온도 변화와 자기 발열입니다. 군사 및 자동차와 같은 일부 응용 분야에서는 넓은 온도 범위에서 작동해야 합니다. 특히 고전력 회로의 경우, 환경이 양호한 회로는 자기 발열의 영향을 받습니다.
누설 전류 I CO 와 β 는 온도에 따라 증가합니다. DC β (h FE )는 기하급수적으로 증가합니다. AC β (h fe )는 증가하지만, 그 속도는 그만큼 빠르지 않습니다. -55°C에서 85°C까지 두 배가 됩니다. 온도가 증가함에 따라 h fe 가 증가하면 공통 이미터 출력이 커지는데, 극단적인 경우 클리핑될 수 있습니다. h FE 가 증가하면 바이어스 지점이 이동하여 한 피크가 클리핑될 수 있습니다. 바이어스 지점의 변화는 다단 직결 증폭기에서 증폭됩니다. 해결책은 바이어스 지점을 안정화하는 일종의 음의 피드백입니다. 이는 AC 이득도 안정화합니다.
아래 그림(a)에서 온도가 증가하면 실리콘 트랜지스터의 공칭 0.7V에서 VBE가 감소합니다 . VBE를 감소시키면 공통 이미터 증폭기의 컬렉터 전류가 증가하여 바이어스 지점이 더욱 이동합니다. VBE를 이동시키는 방법은 차동 증폭기로 구성된 트랜지스터 쌍입니다. 아래 그림(b)에서 두 트랜지스터의 온도가 같으면 VBE는 온도 변화에 따라 변하고 상쇄됩니다.
(a) 단일 종단 CE 증폭기 대 (b) VBE 취소 기능이 있는 차동 증폭기.
실리콘 소자의 최대 권장 접합 온도는 대개 125°C입니다. 하지만 신뢰성 향상을 위해서는 이 온도를 낮춰야 합니다. 트랜지스터는 150°C를 초과하면 작동이 멈춥니다. 탄화규소와 다이아몬드 트랜지스터는 이보다 훨씬 높은 온도에서 작동합니다.
열 폭주
온도가 상승하면 컬렉터 전류가 증가하는 문제는 전류가 증가하면 트랜지스터의 전력 소모가 증가하고, 이는 다시 트랜지스터의 온도를 상승시킨다는 것입니다. 이러한 자기 강화 사이클을 열 폭주 라고 하며 , 이는 트랜지스터를 파괴할 수 있습니다. 이 경우에도 해결책은 바이어스 지점을 안정화하기 위한 일종의 음의 되먹임(negative feedback)을 사용한 바이어스 회로입니다.
접합 커패시턴스
트랜지스터의 단자 사이에는 정전용량이 존재합니다 . 컬렉터-베이스 정전용량 C CB 와 이미터-베이스 정전용량 C EB 는 고주파에서 공통 이미터 회로의 이득을 감소시킵니다. 공통 이미터 증폭기에서 컬렉터에서 베이스로의 정전용량성 피드백은 C CB 에 β를 곱합니다. 음의 이득 감소 피드백의 양은 전류 이득과 컬렉터-베이스 정전용량 모두와 관련이 있습니다. 이를 밀러 효과라고 합니다.
소음
소신호 증폭기의 최대 감도는 전류 흐름의 무작위적인 변화로 인한 잡음에 의해 제한됩니다. 트랜지스터의 두 가지 주요 잡음원은 베이스 캐리어의 전류 흐름으로 인한 산란 잡음 과 열 잡음 입니다 . 열 잡음의 원인은 소자 저항이며 온도에 따라 증가합니다.
트랜지스터 증폭기의 잡음은 입력에서 출력으로 증폭되는 잡음이 아니라 증폭기 내부에서 발생하는 과도한 잡음 으로 정의됩니다 . 이는 증폭기 입력과 출력에서 신호대잡음비 (S/N) 를 측정하여 결정됩니다 . 소신호 입력을 받는 증폭기의 AC 전압 출력은 신호대잡음비(S+N), 즉 신호와 잡음의 합에 해당합니다. 신호가 입력되지 않는 AC 전압은 잡음 N에 해당합니다. 잡음 지수 (F) 는 증폭기 입력과 출력의 신호대잡음비(S/N)로 정의됩니다.
RF(무선 주파수) 트랜지스터의 잡음 지수 F는 일반적으로 트랜지스터 데이터 시트에 데시벨(F dB) 로 표시됩니다 . 양호한 VHF(초고주파, 30MHz~300MHz) 잡음 지수는 1dB 미만입니다. VHF 이상의 잡음 지수는 아래 그림과 같이 10진수마다 20dB씩 상당히 증가합니다.
소신호 트랜지스터 잡음 지수 vs 주파수. Thiele, 그림 11.147 [AGT]
위 그림은 저주파수 잡음이 주파수가 감소함에 따라 10dB/decade씩 증가함을 보여줍니다. 이 잡음을 1/f 잡음 이라고 합니다 .
잡음 지수는 트랜지스터 유형(부품 번호)에 따라 달라집니다. 라디오 수신기의 안테나 입력에 사용되는 소신호 RF 트랜지스터는 저잡음 지수를 위해 특별히 설계되었습니다. 잡음 지수는 바이어스 전류와 임피던스 정합에 따라 달라집니다. 트랜지스터의 최적 잡음 지수는 바이어스 전류가 낮을 때, 그리고 임피던스 부정합이 있을 때 달성됩니다.
열적 불일치(트랜지스터 병렬 연결 문제)
두 개의 동일한 전력 트랜지스터를 병렬로 연결하여 더 높은 전류를 공급한다면, 두 트랜지스터는 전류를 동등하게 공유할 것으로 예상할 수 있습니다. 하지만 트랜지스터의 특성 차이로 인해 전류를 동등하게 공유하지 않습니다.
전력 증가를 위해 병렬로 연결된 트랜지스터에는 이미터 밸러스트 저항이 필요합니다.
동일한 트랜지스터를 선택하는 것은 실용적이지 않습니다. 소신호 트랜지스터의 β는 일반적으로 100~300, 전력 트랜지스터의 β는 20~50입니다. 각 트랜지스터를 일치시킬 수 있다 하더라도 환경 조건으로 인해 한 트랜지스터가 다른 트랜지스터보다 더 뜨거워질 수 있습니다. 더 뜨거운 트랜지스터는 더 많은 전류를 소비하여 열 폭주를 일으킵니다. 바이폴라 트랜지스터를 병렬로 연결할 때 해결책은 1옴 미만의 밸러스트 저항 이라고 하는 이미터 저항을 삽입하는 것입니다 . 더 뜨거운 트랜지스터가 더 많은 전류를 소비하면 밸러스트 저항의 전압 강하가 증가합니다(부궤환). 이는 전류를 감소시킵니다. 모든 트랜지스터를 동일한 방열판에 장착하면 전류 균등화에도 도움이 됩니다.
고주파 효과
트랜지스터 증폭기의 성능은 아래 그림에서 주파수 증가에 따른 소신호 공통 이미터 전류 이득에서 알 수 있듯이 일정 수준까지는 비교적 일정합니다. 하지만 그 수준을 넘어서면 주파수가 증가함에 따라 트랜지스터의 성능이 저하됩니다.
베타 차단 주파수 (fT)는 공통 이미터 소신호 전류 이득(h fe )이 1로 떨어지는 주파수입니다 . 실제 증폭기는 이득이 1보다 커야 합니다. 따라서 트랜지스터는 fT에서 실제 증폭기에 사용될 수 없습니다. 트랜지스터에 더 적합한 한계는 0.1·fT입니다. 다음 그림을 살펴보겠습니다.
공통 에미터 소신호 전류 이득(hfe) 대 주파수.
일부 RF 실리콘 바이폴라 트랜지스터는 최대 수 GHz까지 증폭기로 사용할 수 있습니다. 실리콘-게르마늄 소자는 상위 주파수 범위를 10GHz까지 확장합니다.
알파 차단 주파수 ,
fα 는 α가 저주파 α의 0.707로 떨어지는 주파수입니다. 알파 차단값과 베타 차단값은 거의 같습니다. fα≅fT . 베타 차단값 fT는 고주파 성능에서 선호되는 성능 지수입니다.
fmax 는 바이어스 및 임피던스 정합이 가장 유리한 조건에서 가능한 가장 높은 발진 주파수입니다. 전력 이득이 1이 되는 주파수입니다. 모든 출력은 발진을 유지하기 위해 입력으로 피드백됩니다. fmax는 능동 소자로서 트랜지스터의 동작 주파수에 대한 상한값입니다. 하지만 실제 증폭기는 fmax에서 사용할 수 없습니다 .
밀러 효과: 트랜지스터의 고주파 한계는 접합 커패시턴스와 관련이 있습니다. 예를 들어, PN2222A는 CB와 EB에서 각각 입력 커패시턴스 C obo = 9pF와 출력 커패시턴스 C ibo = 25pF를 갖습니다. [FAR] 25pF의 CE 커패시턴스는 커 보이지만 밀러 효과 때문에 CB(9pF) 커패시턴스보다 영향이 적습니다 . CB 커패시턴스는 공통 이미터 증폭기의 커패시턴스에 베타를 곱한 값에 해당하는 베이스에 영향을 미칩니다. 그 이유는 무엇일까요? 공통 이미터 증폭기는 베이스에서 컬렉터로 신호를 반전시킵니다. 베이스로 피드백된 반전 컬렉터 신호는 베이스의 입력과 상반됩니다. 컬렉터 신호는 입력보다 베타 배 더 큽니다. PN2222A의 경우 β = 50–300입니다. 따라서 9pF CE 커패시턴스는 9·50=450pF에서 9·300=2700pF처럼 보입니다.
접합 커패시턴스 문제에 대한 해결책은 광대역폭 애플리케이션, 즉 RF(무선 주파수) 또는 마이크로파 트랜지스터에 적합한 고주파 트랜지스터를 선택하는 것입니다. 공통 이미터 구성 대신 공통 베이스를 사용하면 대역폭을 더 확장할 수 있습니다. 접지된 베이스는 이미터 입력을 용량성 컬렉터 피드백으로부터 차폐합니다. 두 개의 트랜지스터를 캐스코드 방식으로 연결하면 공통 베이스와 동일한 대역폭을 얻을 수 있지만, 공통 이미터의 입력 임피던스는 더 높습니다.
검토:
- 트랜지스터 증폭기는 컬렉터 전류에 따른 β 변화로 인해 왜곡이 발생합니다.
- I c , V BE , β 및 접합 커패시턴스는 온도에 따라 달라집니다.
- 온도가 상승하면 I C도 증가하여 온도가 상승하는 악순환이 발생하는데, 이를 열 폭주라고 합니다.
- 접합 캐패시턴스는 트랜지스터의 고주파 이득을 제한합니다. 밀러 효과로 인해 CE 증폭기의 베이스에서 C cb 가 β 배 더 크게 보입니다.
- 트랜지스터 잡음은 작은 신호 증폭 능력을 제한합니다. 잡음 지수는 트랜지스터 잡음과 관련된 성능 지수입니다.
- 전력 트랜지스터를 병렬로 연결하여 전류를 증가시키는 경우, 에미터와 직렬로 안정 저항기를 삽입하여 전류를 균등하게 합니다.
- F T 는 CE 증폭기의 절대적 상한 주파수 한계이고, 소신호 전류 이득은 1로 떨어지며, h fe =1입니다.
- Fmax는 가장 이상적인 조건에서 발진기의 상한 주파수입니다.