공통 이미터 증폭기
간단한 스위치로서의 트랜지스터
공통 이미 터 트랜지스터 증폭기 회로 중 가장 간단한 것 중 하나는 이전에 연구한 트랜지스터의 스위칭 능력을 보여주는 그림입니다.
NPN 트랜지스터를 간단한 스위치로 사용.
공통 이미터 구성 이라고 불리는 이유는 (전원 공급 장치 배터리를 제외하고) 신호원과 부하가 아래 그림과 같이 이미터 리드를 공통 연결점으로 공유하기 때문입니다. 이 장의 뒷부분에서 살펴보겠지만, 트랜지스터를 증폭기로 사용할 수 있는 유일한 방법은 아닙니다.
공통 에미터 증폭기: 입력 및 출력 신호는 모두 에미터에 연결되어 있습니다.
이전에는 작은 태양 전지 전류가 트랜지스터를 포화시켜 램프를 밝혔습니다. 이제 트랜지스터가 입력 신호원에서 공급되는 베이스 전류량에 따라 컬렉터 전류를 "조절"할 수 있다는 것을 알았으므로, 이 회로에서 램프의 밝기는 태양 전지의 빛 노출에 따라 조절될 수 있음을 알 수 있습니다 . 태양 전지에 약간의 빛이 비추면 램프는 희미하게 빛납니다. 태양 전지에 더 많은 빛이 닿을수록 램프의 밝기는 꾸준히 증가합니다.
태양 전지를 광도 측정기로 사용하는 데 관심이 있다고 가정해 보겠습니다. 태양 전지의 출력 전류를 이용하여 미터를 구동하여 입사광의 세기를 측정하려고 합니다. 이를 위해 미터를 태양 전지에 직접 연결할 수 있습니다. 사진 촬영에 사용되는 가장 간단한 노출계는 다음과 같이 설계되었습니다.
고강도 조명은 조도계를 직접 구동합니다.
이 접근법은 중간 정도의 광도 측정에는 효과적일 수 있지만, 낮은 광도 측정에는 적합하지 않습니다. 태양 전지가 미터 무브먼트에 필요한 전력을 공급해야 하기 때문에 시스템의 감도는 제한될 수밖에 없습니다. 만약 매우 낮은 광도를 측정해야 한다면, 다른 해결책을 찾아야 합니다.
증폭기로서의 트랜지스터
아마도 이 측정 문제에 대한 가장 직접적인 해결책은 트랜지스터를 사용하여 태양 전지의 전류를 증폭시켜 더 적은 입사광으로 더 큰 미터 편향을 얻는 것일 것입니다.
낮은 강도의 빛에 대해서는 세포 전류를 증폭해야 합니다.
이 회로에서 계측기 전류는 태양 전지 전류의 β배가 됩니다. 트랜지스터 β가 100이면 측정 감도가 크게 향상됩니다. 계측기 바늘을 움직이는 추가 전력은 태양 전지 자체가 아니라 회로 맨 오른쪽에 있는 배터리에서 나온다는 점을 유의해야 합니다. 태양 전지 전류는 단지 배터리 전류를 계측기로 공급하여 태양 전지가 단독으로 제공할 수 있는 것보다 더 높은 계측기 측정값을 제공하는 역할을 합니다.
트랜지스터는 전류 조절 장치이고, 계측기 움직임 표시는 가동 코일을 통과하는 전류에 기반하기 때문에, 이 회로의 계측기 표시는 배터리에서 공급되는 전압의 양이 아닌 태양 전지의 전류에만 의존해야 합니다. 즉, 회로의 정확도는 배터리 상태에 관계없이 유지되며, 이는 매우 중요한 특징입니다! 배터리에 필요한 것은 계측기를 최대 출력으로 구동할 수 있는 최소 전압 및 전류 출력 능력뿐입니다.
부하 저항을 통한 전류로 인한 전압 출력
공통-이미터 구성을 사용할 수 있는 또 다른 방법은 특정 출력 전류가 아닌 입력 신호에서 파생된 출력 전압을 생성하는 것입니다 . 미터의 움직임을 일반 저항으로 대체하고 컬렉터와 이미터 사이의 전압을 측정해 보겠습니다.
공통 에미터 증폭기는 부하 저항을 통과하는 전류로 인해 전압 출력을 발생시킵니다.
태양 전지가 어두워지면(전류가 흐르지 않으면) 트랜지스터는 차단 모드에 들어가 컬렉터와 이미터 사이에서 열린 스위치처럼 작동합니다. 이로 인해 컬렉터와 이미터 사이에 최대 전압 강하가 발생하여 최대 V 출력이 발생하고 , 이는 배터리의 최대 전압과 같습니다.
최대 전력(최대 광 노출)에서 태양 전지는 트랜지스터를 포화 모드로 구동하여 컬렉터와 이미터 사이의 닫힌 스위치처럼 동작하게 합니다. 결과적으로 컬렉터와 이미터 사이의 전압 강하는 최소가 되며, 이는 거의 0에 가까운 출력 전압을 의미합니다. 실제로 포화된 트랜지스터는 컬렉터 전류가 두 개의 PN 접합을 통과해야 하기 때문에 컬렉터와 이미터 사이의 전압 강하를 0으로 만들 수 없습니다. 그러나 이 "컬렉터-이미터 포화 전압"은 사용되는 트랜지스터에 따라 약 0.1V 정도로 상당히 낮습니다.
0과 최대 태양 전지 출력 사이의 광 노출 수준에서 트랜지스터는 활성 모드에 있으며, 출력 전압은 0과 배터리 최대 전압 사이입니다. 공통 이미터 구성에서 주목해야 할 중요한 점은 출력 전압이 입력 신호에 대해 반전 된다는 것입니다. 즉, 입력 신호가 증가함에 따라 출력 전압이 감소합니다. 이러한 이유로 공통 이미터 증폭기 구성을 반전 증폭기 라고 합니다 .
아래 그림의 회로에 대한 간단한 SPICE 시뮬레이션(아래 그림)을 통해 이 증폭기 회로에 대한 정성적 결론을 검증할 수 있습니다.
*공통 에미터 증폭기 i1 0 1 dc q1 2 1 0 mod1 r 3 2 5000 v1 3 0 dc 15 .model mod1 npn .dc i1 0 50u 2u .plot dc v(2,0) .end노드 번호와 해당 SPICE 넷리스트가 포함된 공통 방출기 개략도입니다.
공통 에미터: 컬렉터 전압 출력 대 베이스 전류 입력.
위 그림에서 시뮬레이션 시작 시 전류원(태양 전지)이 0 전류를 출력하는 지점에서 트랜지스터는 차단 모드에 있으며, 배터리에서 공급되는 15V 전압이 증폭기 출력(노드 2와 0 사이)에 표시됩니다. 태양 전지의 전류가 증가하기 시작하면 출력 전압은 비례적으로 감소하여 트랜지스터가 베이스 전류 30µA(컬렉터 전류 3mA)에서 포화 상태에 도달합니다. 그래프에서 출력 전압 트레이스가 포화 지점까지 완벽하게 선형(15V에서 1V까지 1V씩 증가)을 유지하다가 포화 지점에서 완전히 0에 도달하지 않는 것을 확인할 수 있습니다. 이는 앞서 언급한 효과로, 포화된 트랜지스터는 내부 접합 효과로 인해 컬렉터와 이미터 사이의 전압 강하를 정확히 0으로 만들 수 없습니다. 우리가 보는 것은 입력 전류가 28µA에서 30µA로 증가함에 따라 출력 전압이 1V에서 0.2261V로 급격히 감소하고, 그 이후로 출력 전압이 (점차적으로 감소하는 단계이기는 하지만) 지속적으로 감소하는 것입니다. 이 시뮬레이션에서 출력 전압이 도달하는 최저값은 0.1299V로, 점근적으로 0에 가까워집니다.
교류 증폭기로서의 트랜지스터
지금까지 트랜지스터가 DC 신호 증폭기로 사용되는 것을 살펴보았습니다. 태양 전지 조도계 예시에서는 태양 전지의 DC 출력을 증폭하여 DC 미터의 움직임을 구동하거나 DC 출력 전압을 생성하는 데 관심이 있었습니다. 하지만 트랜지스터가 증폭기로 사용될 수 있는 유일한 방법은 아닙니다. 교류 및 전압 신호를 증폭하기 위한 AC 증폭기가 필요한 경우가 많습니다. 이러한 증폭기의 일반적인 응용 분야 중 하나는 오디오 전자 장치(라디오, 텔레비전, 공공 주소 시스템)입니다. 앞서 튜닝 포크의 오디오 출력이 트랜지스터 스위치를 활성화하는 예를 살펴보았습니다. 아래 그림과 같이 이 회로를 수정하여 램프가 아닌 스피커로 전력을 전송할 수 있는지 살펴보겠습니다.
오디오에 의해 활성화되는 트랜지스터 스위치.
원래 회로에서는 전파 브리지 정류기를 사용하여 마이크의 AC 출력 신호를 트랜지스터 입력을 구동하는 DC 전압으로 변환했습니다. 여기서는 마이크에서 나오는 소리 신호로 램프를 켜는 것만 중요했고, 이 구성만으로도 충분했습니다. 하지만 이제 AC 신호를 재생하여 스피커를 구동해야 합니다. 즉, 트랜지스터를 구동하기 위해 왜곡되지 않은 AC 신호가 필요하므로 마이크 출력을 더 이상 정류할 수 없습니다. 브리지 정류기를 제거하고 램프를 스피커로 교체해야 합니다.
공통 방출 증폭기는 오디오 주파수 신호로 스피커를 구동합니다.
마이크가 베이스-이미터 PN(다이오드) 접합의 순방향 전압 강하를 초과하는 전압을 생성할 수 있으므로, 저항을 마이크와 직렬로 연결해야 합니다. SPICE를 사용하여 회로를 시뮬레이션해 보세요. 넷리스트는 (아래 그림)에 포함되어 있습니다.
공통 에미터 오디오 증폭기의 SPICE 버전입니다.
공통 에미터 증폭기 vinput 1 0 sin (0 1.5 2000 0 0) r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.74m .plot tran v(1,0) i(v1) .end DC 베이스 바이어스가 부족하여 수집기에서 신호가 잘렸습니다.
시뮬레이션은 입력 전압(1.5V 피크 진폭과 2000Hz 주파수의 AC 신호)과 15V 배터리를 통과하는 전류(스피커를 통과하는 전류와 동일)를 모두 표시합니다. 여기서 볼 수 있는 것은 양(+) 및 음(-) 방향으로 교대로 나타나는 완전한 AC 사인파와 한 방향으로만 펄스를 생성하는 반파 출력 전류 파형입니다. 이 파형으로 스피커를 구동하면 출력되는 소리가 왜곡될 것입니다.
회로에 문제가 있는 걸까요? 왜 마이크에서 나오는 전체 AC 파형을 충실하게 재현하지 못하는 걸까요? 이 질문에 대한 답은 아래 그림의 트랜지스터 다이오드 전류원 모델을 자세히 살펴보면 알 수 있습니다.
이 모델은 베이스 전류가 한 방향으로 흐른다는 것을 보여줍니다.
컬렉터 전류는 베이스-이미터 다이오드를 통과하는 전류에 의해 설정된 속도에 따라 정전류 메커니즘을 통해 제어되거나 조절됩니다. 트랜지스터를 통과하는 두 전류 경로는 모두 단방향, 즉 일방통행이라는 점에 유의하십시오! 트랜지스터를 사용하여 교류 신호를 증폭하려는 의도에도 불구하고, 트랜지스터는 본질적으로 단방향 전류를 처리할 수 있는 직류 소자입니다. 베이스와 이미터 사이에 교류 전압 입력 신호를 인가할 수 있지만, 베이스-이미터 다이오드 접합을 역방향 바이어스하는 사이클 동안에는 해당 회로에 전류가 흐를 수 없습니다. 따라서 트랜지스터는 해당 사이클 동안 차단 모드를 유지합니다. 입력 전압이 베이스-이미터 다이오드를 순방향 바이어스할 수 있는 올바른 극성일 때, 그리고 그 전압이 다이오드의 순방향 전압 강하를 극복할 만큼 충분히 높을 때만 트랜지스터는 활성 모드로 "켜집니다". 바이폴라 트랜지스터는 전류 제어 소자 라는 점을 기억하십시오 . 즉, 베이스-이미터 전압이 아닌 베이스-이미터 전류 의 존재에 따라 컬렉터 전류를 조절합니다 .
트랜지스터가 스피커를 통과하는 전류로 전체 파형을 재생하도록 하는 유일한 방법은 트랜지스터를 항상 활성 모드로 유지하는 것입니다. 즉, 입력 파형의 전체 사이클 동안 베이스를 통해 전류가 흐르도록 유지해야 합니다. 따라서 베이스-이미터 다이오드 접합은 항상 순방향 바이어스를 유지해야 합니다. 다행히 입력 신호에 DC 바이어스 전압을 추가하면 이를 달성할 수 있습니다. AC 신호원에 충분한 DC 전압을 직렬로 연결하면 파형 사이클 전체에서 순방향 바이어스를 유지할 수 있습니다. (아래 그림)
Vbias는 트랜지스터를 활성 영역에 유지합니다.
공통 에미터 증폭기 vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.78m .plot tran v(1,0) i(v1) .endVbias로 인한 왜곡되지 않은 출력 전류 I(v(1)
2.3V의 바이어스 전압원이 인가되면 트랜지스터는 파형의 전체 주기 동안 활성 모드를 유지하여 스피커에서 파형을 충실하게 재생합니다. 입력 전압(노드 1과 0 사이에서 측정)이 약 0.8V에서 3.8V 사이에서 변동하는 것을 볼 수 있습니다. 이는 예상대로 피크 간 전압이 3V(소스 전압 = 피크 1.5V)임을 의미합니다. 출력(스피커) 전류는 0mA에서 거의 300mA 사이에서 변동하며, 입력(마이크) 신호와 180° 위상 차이가 있습니다.
아래 그림은 동일한 회로를 다른 각도에서 본 것으로, 이번에는 모든 관련 신호를 표시하기 위해 중요한 지점에 몇 개의 오실로스코프("스코프미터")를 연결한 것입니다.
입력은 베이스에서 위쪽으로 바이어스됩니다. 출력은 반전됩니다.
편향
트랜지스터 증폭기 회로에 전파형 재현을 위한 바이어싱의 필요성은 중요한 고려 사항입니다 . 이 장의 별도 섹션에서는 바이어싱과 바이어싱 기법에 대해 자세히 다룰 것입니다. 지금은 증폭기의 적절한 전압 및 전류 출력을 위해 바이어싱이 필요할 수 있다는 점을 이해하는 것으로 충분합니다.
이제 작동하는 증폭기 회로가 있으므로 전압, 전류, 전력 이득을 조사할 수 있습니다. 이 SPICE 분석에 사용된 일반 트랜지스터는 아래 표의 텍스트 출력에 포함된 짧은 트랜지스터 통계 출력에서 알 수 있듯이 β가 100입니다(간략화를 위해 이전 두 분석에서 이 통계는 삭제했습니다).
BJT SPICE 모델 매개변수.
npn 유형은 1.00E-16 bf 100.000 nf 1.000 br 1.000 nr 1.000입니다.β는 "bf"라는 약어로 표시되어 있는데, 실제로는 "beta, forward"를 의미합니다 . 분석을 위해 자체 β 비율을 삽입하려면 SPICE 넷리스트의 .model 행에 삽입하면 됩니다.
β는 컬렉터 전류와 베이스 전류의 비율이며, 부하는 트랜지스터의 컬렉터 단자에 직렬로 연결되고 소스는 베이스에 직렬로 연결되므로, 출력 전류와 입력 전류의 비율은 β와 같습니다. 따라서 이 예시 증폭기의 전류 이득은 100, 즉 40dB입니다.
전압 이득
이 회로에서 전압 이득은 전류 이득보다 계산하기가 조금 더 복잡합니다. 항상 그렇듯이 전압 이득은 출력 전압을 입력 전압으로 나눈 비율로 정의됩니다. 이를 실험적으로 확인하기 위해, 이전 SPICE 분석을 수정하여 출력 전류 대신 출력 전압을 그래프로 표시했습니다. 따라서 아래 그림에서 비교할 두 개의 전압 그래프가 있습니다.
공통 에미터 증폭기 vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.78m .plot tran v(1,0) v(3) .endV(3)은 입력과 비교한 r spkr 의 출력 전압입니다 .
동일한 스케일(0~4V)로 그래프를 그려보면, 위 그림의 출력 파형은 입력 파형보다 피크 간 진폭이 더 작을 뿐만 아니라, 입력처럼 0V에서 상승하지 않고 바이어스 전압이 더 낮습니다. AC 증폭기의 전압 이득은 AC 진폭의 비율로 정의되므로 두 파형을 분리하는 DC 바이어스는 무시할 수 있습니다. 그럼에도 불구하고, 입력 파형이 출력 파형보다 여전히 크기 때문에 전압 이득은 1보다 작습니다(음의 dB 값).
낮은 전압 이득은 모든 공통 에미터 증폭기 의 특징이 아닙니다 . 이는 입력 저항과 부하 저항 사이의 큰 차이 때문입니다. 여기서 입력 저항(R1)은 1000Ω인 반면 부하(스피커)는 8Ω에 불과합니다. 이 증폭기의 전류 이득은 트랜지스터의 β에 의해서만 결정되고 β 값은 고정되어 있으므로 이 증폭기의 전류 이득은 두 저항 중 어느 하나의 변화에도 변하지 않습니다. 그러나 전압 이득은 이러한 저항에 따라 달라 집니다 . 부하 저항을 변경하여 값을 높이면 부하 전류 범위에 비례하여 더 큰 전압 강하가 발생하여 출력 파형이 커집니다. 아래 그림에서 8Ω 부하 대신 30Ω 부하를 사용하여 다른 시뮬레이션을 시도해 보세요.
공통 에미터 증폭기 vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.78m .plot tran v(1,0) v(3) .endr spkr을 30Ω로 늘리면 출력 전압이 증가합니다.
이번에는 위 그림의 출력 전압 파형이 입력 파형보다 진폭이 훨씬 큽니다. 자세히 살펴보면 출력 파형이 0V에서 약 9V 사이에서 정점에 도달하는 것을 알 수 있습니다. 이는 입력 전압 진폭의 약 3배입니다.
이 회로에 대해 또 다른 컴퓨터 분석을 수행할 수 있습니다. 이번에는 SPICE에 AC 관점에서 분석하도록 지시하여 시간 기반 파형 플롯 대신 입력 및 출력의 피크 전압 수치를 제공합니다. (아래 표)
AC 입력 및 출력 전압을 인쇄하기 위한 SPICE 넷리스트입니다.
공통 이미터 증폭기 vinput 1 5 ac 1.5 vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .ac lin 1 2000 2000 .print ac v(1,0) v(4,3) .end freq v(1) v(4,3) 2.000E+03 1.500E+00 4.418E+00입력 및 출력의 피크 전압 측정 결과 입력 전압은 1.5V, 출력 전압은 4.418V입니다. 따라서 전압 이득비는 2.9453(4.418V / 1.5V) 또는 9.3827dB입니다.
전압 이득을 구하는 방법:
공통 에미터 증폭기의 전류 이득은 β로 고정되어 있고, 입력 및 출력 전압은 입력 및 출력 전류에 각각의 저항을 곱한 값과 같으므로 근사 전압 이득에 대한 방정식을 도출할 수 있습니다.
보시다시피, 전압 이득에 대한 예측 결과는 시뮬레이션 결과와 매우 유사합니다. 트랜지스터가 완벽하게 선형적인 동작을 한다면 두 수치는 정확히 일치할 것입니다. SPICE는 분석 과정에서 바이폴라 트랜지스터 기능의 여러 "특이점"을 적절히 고려하기 때문에 SPICE 출력에 따른 전압 이득의 약간의 불일치가 발생합니다.
이러한 전압 이득은 회로의 출력 전압을 측정하는 위치(컬렉터와 이미터)에 관계없이 동일하게 유지됩니다. 또는 이전 분석에서처럼 직렬 부하 저항에서 측정합니다. 주어진 입력 전압에 대한 출력 전압 변화량 은 동일하게 유지됩니다. 이를 증명하기 위해 다음 두 가지 SPICE 분석을 고려해 보겠습니다. 아래 그림의 첫 번째 시뮬레이션은 시간 기반 시뮬레이션으로, 입력 및 출력 전압 플롯을 제공합니다. 두 신호의 위상이 서로 180도 차이가 있음을 알 수 있습니다. 아래 표의 두 번째 시뮬레이션은 AC 분석으로, 입력 및 출력에 대한 간단한 피크 전압 측정값을 제공합니다.
공통 에미터 증폭기 vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.74m .plot tran v(1,0) v(3,0) .end공통 에미터 증폭기는 R spkr =30Ω 에서 전압 이득을 보여줍니다 . AC 분석을 위한 SPICE 넷리스트
공통 에미터 증폭기 vinput 1 5 ac 1.5 vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .ac lin 1 2000 2000 .print ac v(1,0) v(3,0) .end freq v(1) v(3) 2.000E+03 1.500E+00 4.418E+00최대 입력 전압이 1.5볼트일 때 최대 출력 전압은 4.418볼트입니다.
지금까지 이 섹션에 제시된 회로 예시는 모두 NPN 트랜지스터를 사용했습니다. PNP 트랜지스터는 적절한 극성과 전류 방향이 유지되는 한 모든 증폭기 구성에서 NPN 트랜지스터와 마찬가지로 사용할 수 있으며, 공통 이미터 증폭기도 예외는 아닙니다. PNP 트랜지스터 증폭기의 출력 반전 및 이득은 NPN 트랜지스터 증폭기와 동일하며, 배터리 극성만 다릅니다.
공통 에미터 증폭기의 PNP 버전.
검토:
- 공통 에미터 트랜지스터 증폭기는 전원 공급 장치를 고려하지 않고 입력 및 출력 전압 지점이 트랜지스터의 에미터 리드를 서로 공유하기 때문에 그렇게 불립니다.
- 트랜지스터는 본질적으로 직류 소자입니다. 즉, 역방향 전압이나 전류를 직접 처리할 수 없습니다. 교류 신호를 증폭하려면 입력 신호를 직류 전압으로 오프셋하여 트랜지스터가 파동의 전체 주기 동안 활성 상태를 유지하도록 해야 합니다. 이를 바이어싱 이라고 합니다 .
- 공통 이미터 증폭기의 이미터와 컬렉터 사이에서 출력 전압을 측정하면 입력 전압 파형과 180° 위상 차이가 발생합니다. 따라서 공통 이미터 증폭기를 반전 증폭기 회로라고 합니다.
- 부하가 컬렉터에 직렬로 연결된 공통 이미터 트랜지스터 증폭기의 전류 이득은 β와 같습니다. 공통 이미터 트랜지스터 증폭기의 전압 이득은 대략 다음과 같습니다.
- 여기서 "Rout"은 수집기와 직렬로 연결된 저항이고 "Rin"은 베이스와 직렬로 연결된 저항입니다.