트랜지스터 바이어스 회로

1. 바이어스

  능동소자인 트랜지스터나 FET를 찌그러짐이 없는 증폭기로 사용하기 위해서는 각 소자에 바이어스를 인가해 주어야 한다. 그 이유는 능동소자들의 전체 정 특성 곡선이 선형이 아닌 비선형 특성을 일부 갖고 있기 때문이다. 즉, 능동소자를 선형증폭기에 이용한다는 것은 특성 곡선상의 선형인 부분을 사용하는 것이다. 따라서 비선형 부분을 제외한 선형 특성인 부분만을 사용하기 위해 능동소자에 입력신호를 가하기 전에 미리 전압이나 전류를 흘려준다. 이것을 보통 바이어스전압, 전류라 한다. 특별한 경우를 제외하고는 거의 모든 능동소자를 사용하기 위해서는 이러한 바이어스전압, 전류를 가해 주어야 한다.

  이 항에서는 바이어스의 방법에 대해서 논한다. 능동소자를 동작시키려면 능동소자의 정 특성 곡선상의 선형영역 중에서 적당한 위치에 동작점(operating point)을 설정하는 것이 필요하다. 이를 위한 전류 또는 전압을 바이어스전압(bias voltage) 혹은 바이어스전류(bias current)라고 한다. FET에는 바이어스전압을 인가하는 방법이 비교적 간단한 반면 트랜지스터의 경우 동작점을 설정하는 작업이 또한 아주 번거롭다. 이것은 트랜지스터마다 정 특성 곡선이 아주 불균일하고 설계시 고려해야 할 사항이 많기 때문이다.

  트랜지스터회로

  트랜지스터는 전류제어 소자이기 때문에 필요한 동작을 행하기 위해서는 적당한 바이어스 전류를 흘려주지 않으면 안 된다. 실제로 트랜지스터에 전원 1개를 가하지만 내부적으로는 2개의 전원이 필요하다. 따라서 전원의 전압을 이용해서 입력회로에 바이어스전류 또는 전압을 인가한다.

  트랜지스터의 바이어스회로에서는 동작점이 외부의 요인, 즉 주위온도 등이 변화하여 동작점이 이동하지 않도록 트랜지스터의 동작을 안정화하는 목적도 있다. 트랜지스터의 바이어스법에는 고정바이어스, 전압궤환바이어스, 전류궤환바이어스의 세 가지가 있으며, 다음에서 바이어스 안정화에 대하여 논한다.

  ⑴ 고정바이어스회로

  그림 1-1에서 고정바이어스회로(fixed bias circuit)라고 하는 가장 간단한 회로를 소개한다. 이 회로에서는 컬렉터전류와 베이스전류가 전원과 병렬로 인가되어 가해진다.

그림 1-1 고정바이어스회로

 라 하면 베이스전류 는

              (1-1)

로 주어진다. 이미터접지 증폭회로의 컬렉터전류 는

이며, 또 컬렉터전류 및 컬렉터전압 는 근사적으로

                      (1-2)

                      

        (1-3)

와 같이 된다.

 

 여기서 고정바이어스회로의 동작을 살펴보면 기본적으로 트랜지스터가 활성영역에서 동작하기 위해서는 베이스 - 이미터 간의 순방향, 컬렉터 - 베이스간에는 역방향의 조건을 만들어주는 것으로써 바이어스저항 가 전원 전압과 병렬로 인가되어 베이스에는 바이어스 저항값에 따른 베이스전류가 흐르고 이 전류는 이미터로 흘러가며, 이 과정에서 베이스와 이미터에는 바이어스전압 가 생성된다.

  다시 말해서 바이어스전압이 만들어지는 것이다. 그런데 여기서 주의해야 할 것은 트랜지스터를 선형으로 동작시키기 위해서는 는 보다 작아야 한다. 그 이유는 가 전원 전압인 보다 적어야 하기 때문이다.

  그리고, 특성곡선의 선형영역에서 주어지는 컬렉터전류의 크기 는에 의한 값보다 작아야 한다. 이 컬렉터전류의 크기가 선형부분을 넘어서 포화영역으로 동작하게 되면 특성곡선에서의 최대치로 주어지므로 선형동작을 할 수 없게 된다. 증폭기 설계시에 중요하게 고려되어야 할 사항이다. 만약 트랜지스터를 스위칭(포화영역 - 차단영역) 동작으로 사용한다면 포화영역에서 사용해도 무방하다.

  이 회로는 가장 간단한 회로로서 전력소비는 적지만 안정도는 그다지 좋지 않다. 그 때문에 이 회로는 전압 및 전류가 크지 않고 다소 바이어스점이 이동해도 문제가 없는 회로의 용도에 한정되어 사용되고 있다.

  (2) 전압궤환바이어스회로

  그림 1-2와 같이 를 컬렉터와 베이스 사이에 접속해서 바이어스를 인가하는 회로를 전압궤환바이어스회로(voltage feedbace bias circuit)라고 한다.

그림 1-2 전압궤환바이어스회로

  이 회로에서는 가 어떤 원인에 의해서 증가하면 에서 전압 강하가 증대되어 가 저하되고, 바이어스전류 가 감소해서 컬렉터전류 의 증가를 억제시킨다. 이와 같은 작용은 뒤에서 기술하는 부궤환의 일종이기 때문에 전압궤환바이어스라고 한다.

  전압궤환바이어스회로는 고정바이어스회로와 같이 간단하지만 고정바이어스보다도 안정도와 트랜지스터의 에 의한 영향 등이 개선되었다. 그러나 부궤환작용은 신호주파수에 대해 작용하기 때문에 입․출력임피던스가 저하하며, 증폭기의 이득이 감소한다. 그림 1-2에 대해서

       (1-4)

의 관계가 성립한다. 일반적으로 이기 때문에 식 (1-4)에서

                     (1-5)

  식 (1-5)와 같은 근사식을 얻을 수 있다.

그림 1-3 전압궤환바이어스회로 이득의 감소를 피하는 방법

  이 회로에서도 바이어스저항 가 전원 전압과 직렬로 연결된 컬렉터저항 바로 다음에 병렬로 연결되어 있으므로 이 전압강하에 의해서 베이스전류는 흐른다. 이 흐르는 전류가 베이스 - 이미터 사이에 바이어스전압이 생성된다.

  이 전압궤환바이어스회로는 결합회로와 같이 가 큰 경우에 유용하다. 그러나 변성이 결합과 같은 부하가 변성기로 결합된 경우 컬렉터회로위 직류저항이 적기 때문에 바이어스 안정화의 효과가 적다. 이러한 바이어스회로를 사용하기 위해서는 그림 1-3과 같이 바이어스 저항 를 적당히 나누고, 그 사이에 궤환신호 성분을 바이패스 하기 위한 콘덴서 를 삽입한다. 여기서 어느 정도 이득의 감소는 피할 수 있다.

  그림 1-2는 전압분배 바이어스(voltage-divider bias)회로를 나타내고 있다. 이 방법이 선형회로에서 가장 널리 사용되는 바이어스방식이다. ‘전압분배’라는 용어는 저항 과로 구성된 전압분배기에서 나온말이다. 이때 저항 에 걸리는 전압은 이미터 다이오드로 순방향으로 바이어스시킨다.

  그림 1-2에서 출력측에 키르히호프의 법칙을 적용시켜 직류뷰하선의 식을 유도 한다.

    이므로

  

    이 회로는 컬렉터 귀환 바이어스회로와 마찬가지로 온도변화에 따라 컬렉터 전류 의 변화를 입력쪽(V_BE)에 귀환시켜 항상 컬렉터전류 Ic를 일정한 값으로 유지하는 작용을 갖고 있다. 이 관계는 다음과 같이 된다.

  온도변화 → Ic의 증가 → I_E의 증가 → V_RE의 증가 → V_BE의 감소 → I_B의 감소 → I_C의 감소

  전압분배 바이어스는 다음과 같이 동작한다. 베이스 단자를 떼어 내어(open), R₂에 걸리는 테브닌(Thevenin)전압을 구하면 다음과 같다.

  트랜지스터는 제어된 전류원으로서의 역할을 한다. 이미터는 베이스에 부트스트랩되어 있기 때문에 다음과 같다.

  컬렉터전류는 이 이미터전류의 값과 거의 동일하다.

  이 이미터전류에 대한 공식에는 가 포함되어 있지 않는데, 이는 회로가 의 변화에 크게 관여하지 않고 동작점(Q)이 고정된다는 것을 의미한다. 이런 이유 때문에 전압분배 바이어스는 선형 트랜지스터회로에 적합한 바이어스방식이며 거의 이 방식을 사용한다.

  그림 1-2회로에서 테브닌의 정리를 이용하면 등가회로를 얻을 수 있다. 이 등가회로에서

베이스 루프상에 키르히호프의 법칙을 적용하면,

 

이므로,

만약 R_E가 보다 100배 이상 크다면 일반적으로

안정된 전압분배 바이어스회로는 다음 조건을 요구한다.

  간혹 안정된 설계를 하다보면 R₁과 R₂ 값이 적어지게 된다. 이것은 또 다른 문제점을 야기시키는 원인이 되며 이러한 경우에 대부분의 설계가들을 10%규정을 적용하여 해결한다. 즉,

  Thevein 등가회로에서의 등가요소

  base loop에 kvl을 적용하면 전류궤한 bias회로와 같은 결과의 안정계수 S를 얻을 수 있다.

 

따라서, 와 무관하며, 를 크게 할수록 안정도는 커진다.