트랜지스터(transistor) 강의록 - 2 증폭 작용

2019.04.15 - [임베디드 프로세서/전자의 기초] - 트랜지스터(transistor) 강의록 - 1 NPN, PNP형 트랜지스터의 기초

트랜지스터의 증폭 작용

위 그림에서 스위치가 ON되면 베이스 전류가 흐르고, 컬렉터에서 이미터쪽으로 전류가 흐릅니다. 여기서 베이스는 매우 얇기 때문에 베이스 안에 존재하는 정공수가 매우 적어 이미터의 전자는 베이스의 정공쪽으로 이동하고 그 나머지는 컬렉터 쪽의 (+)전압쪽으로 이동하는 것이 굉장히 많다. 그렇기 때문에 베이스 전류보다는 컬렉터 전류가 커 거의 10배에서 200배 정도에 이르게 됩니다.
이와 같이 컬렉터 전류와 베이스 전류의 비를 전류 증폭도라고 하고 hFE 또는 β 표시한다. 공식은 아래와 같습니다.

즉, 베이스 전류에 대해 컬렉터 전류가 얼마나 흐르는가를 따지는 것이라고 보면 되는데요. 베이스전류를 조절함으로써 컬렉터 전류의 크기를 조절할 수 있게 되는것이지요. 이것을 트랜지스터의 증폭작용이라고 합니다. 만일 베이스에 1mA가 흘렀을 때 컬렉터에 100mA의 전류가 흘렀다고 가정하면 베이스 전류를 100배 증폭시키게 된 경우가 됩니다.

결국에는 증폭이란 작은 전류로 큰 전류를 조절할 수 있게 하는 말이지, 작은 전류가 큰 전류 자체로 커진 경우는 아닙니다. 키르히호프 제 1법칙에 따라 컬렉터와 베이스 쪽은 전류가 들어오고, 이미터는 전류가 나가므로 들어온 양과 나온 양의 합은 0이 됩니다.
따라서 

위 식을 IE에 대하여 정리하면 아래와 같습니다.

IE : 이미터 전류
IB : 베이스 전류
IC : 컬렉터 전류

즉, 이미터 전류는 컬렉터 전류와 베이스 전류로 합쳐집니다.

트랜지스터의 증폭회로

증폭기회로(amplifier circuit)란 약한 입력신호를 증폭시켜 출력시키는 작용을 하는 회로를 말하는데요. 예를 들면 자동차 안테나의 약한 신호를 받아 들여 큰 신호로 증폭시켜 스피커로 출력시키는 회로를 말할 수 있습니다. 
트랜지스터에 인가된 직류와 교류 전압을 증폭시키기 위해서는 트랜지스터 기본회로 중 하나인 베이스(B), 이미터(E) 또는 컬렉터(C) 접지회로를 이용할 수 있습니다. 이미터 접지회로에서는 이미터(E)가 공통단자가 됩니다. 이미터 접지회로는 전압 증폭과 정류 증폭이 동시에 가능하며, 특히 입력측과 출력측의 저항을 효과적으로 배분할 수 있어서 자동차 회로에서 자주 사용됩니다.

■ 전류 증폭회로
베이스와 이미터 간의 바이어스 전압을 인가하지 않은 상태에서도 교류전압으로 트랜지스터를 동작시킬 수 있습니다. 이 경우 베이스와 이미터 사이의 PN접합은 각각 하나의 반파를 차단시키게 됩니다. 즉, PNP 트랜지스터는 음(-)의 NPN 트랜지스터는 양(+)의 반파일 때만 베이스 전류와 컬렉터 전류를 흐르게 합니다. 
입력 교류전압의 두 반파가 모두 베이스 전류변화에 영향을 미치게끔 하려면 증폭시켜야할 교류전압에 직류전압(바이어스 전압)을 설치하면 되는데요.

위 그림과 같이 교류신호가 베이스와 이미터에 가해지면 베이스전류 IB는 파형이 (+)일 때만 흐르게 됩니다. 컬렉터 전류 IC는 IB X hFE이고, 이것은 IB전류를 크게 증폭시킨 것입니다. 하지만 특성상 이것은 반파 일 뿐이며 전체를 증폭하는 개념은 아닙니다.

[1] 바이어스 증폭
트랜지스터 증폭회로에서 입력신호가 없을 때에도 입력측에 적당한 크기의 일정한 직류전압을 공급하고, 일정량의 전류를 흐르게 해야만 출력신호가 변형됨이 없이 정확히 입력신호에 비례합니다.
이러한 목적으로 입력측에 일정하게 공급해주는 직류전압을 바이어스 전압, 그리고 바이어스 전압에 의해 입력회로에 흐르는 직류전류를 바이어스 전류라합니다. 이제 교류를 베이스-이미터에 아래 그림처럼 인가해 보겠습니다.

이때 IB 전류신호의 형태는 직류에 교류를 얹어 놓은 것처럼 되므로 IC 전류파형은 완전히 나타나게 됩니다. 이때의 교류전원을 바이어스증폭이라고 합니다. 실제로는 2개의 공급전원을 갖춰야 하는 불편 때문에 공급전원의 출력 단자를 바이어스 용어로 사용하기도 합니다.

[2] 전류 증폭률(hFE)과 IB, IC와의 관계
10uA의 IB 전류가 전류 증폭률(hFE)이 100인 트랜지스터에 인가되었다면, 1mA의 IC전류가 흐르게 될 것입니다. 

아래 그림과 같이 부하저항을 연결하여도 IC 전류는 1mA가 되어 IC 전류는 변하지 않습니다.

또한 아래 그림처럼 이미터-컬렉터간의 전압이 5V에서 7V로 변화하더라도 IC 전류는 변하지 않습니다.

스위치 또는 계전기로 트랜지스터가 사용될 때 IB 전류가 충분한 양이 흐르면 컬렉터-이미터사이의 저항은 매우 작아지고 IB 전류는 입력저항과 공급전압에 의해서 정해지게 되는데요. 트랜지스터가 증폭의 용도로 사용될 경우, IC 전류는 hFE와 IB 전류에 의해 정해집니다.
증폭작용에 트랜지스터가 사용되는 이유로는 컬렉터와 이미터사이의 저항이 매우 높기 때문이며, 부하저항과 컬렉터, 이미터사이의 전압이 바뀌어도, IC 전류는 변하지 않기 때문이기도 합니다.

■ 전압 증폭회로
전압 증폭의 경우 아래 그림과 같이 컬렉터-이미터간의 전압이 나타나면 증폭된 IC 전류에 따르는 교류전압 파형을 얻을 수 있습니다. 

만약 교류 성분만을 얻고 싶으면, 직류를 차단하는 콘덴서(capacitor)를 접속시키면 됩니다. 위 그림과 같이 출력 전압파형과 입력전압 파형이 거꾸로 나타나고 있는데요 이는 출력, 즉 컬렉터-이미터 사이의 전압(전압강하분)을 ECE, 부하저항 R에 의한 전압강하를 ER이라고하면, 공급전압 E는 E = ECE + ER, ECE = E - ER이라고 쓸 수 있고 이를 해석해보면 IC 전류가 증가하면 ER도 증가하고, 출력(ECE)는 감소하게 됩니다. IC 전류가 감소하면 ER도 감소하나 출력은 증가하게 됩니다.

트랜지스터의 양 ˙ 부 판정법

NPN

PNP

위 그림과 같이 NPN, PNP 트랜지스터를 다이오드로 바꾸어 그린 대체 그림인데 트랜지스터와 똑같이 보인다는 의미로 등가회로라고 부릅니다. 가운데 P형을 서로 묶고 바깥쪽으로 향한 다이오드 결합회로는 마치 PNP 트랜지스터의 PN과 PN방향의 다이오드와 서로 일치한 것과 비슷하기 때문인데요. 다만 다이오드를 이렇게 묶는다고 트랜지스터가 될 수는 없습니다. 왜냐하면 P와 P가 너무 두껍고 구리선으로 연결되어 있어 불순물로 인한 노이즈도 많고 거리도 멀기 때문에 즉각적인 반응을 낼 수 없기 때문입니다.

■ NPN형 트랜지스터 실험
흑색 리드선을 임의의 단자에 대고 적색 리드선을 임의의 두 단자에 대어서 멀티테스터 측정값의 변화가 생길때 흑색 리드선의 단자가 베이스이고 트랜지스터는 양호하다는 뜻입니다.
반대로 컬렉터, 이미터에 흑색 리드선을 대고 베이스에 적색 리드선을 대었다면 멀티테스터의 측정값 변화는 없어야 정상입니다. 멀티테스터 측정값 Range를 최고로 놓고 흑색 리드선을 임의의 단자, 적색 리드선 또한 임의의 단자에 놓았을때 멀티테스터의 값이 변화하면 흑색은 컬렉터이고 적색은 이미터 단자가 되겠습니다.

■ PNP형 트랜지스터 실험
흑색 리드선을 임의의 단자에 대고 적색 리드선을 임의의 두 단자에 대어서 한쪽은 멀티테스터 값 변화가 없고 반대의 다른 단자에서 값 변화가 보인다면 그때 적색 리드선의 단자는 베이스이고 트랜지스터는 양호하다는 뜻입니다.
또한 멀티테스터 측정값 Range를 최고로 놓고 흑색 리드선을 임의의 단자에 적색 리드선을 임의의 단자에 놓았을때 멀티테스터 값이 변화하면 흑색은 이미터이고, 적색은 컬렉터 단자가 되겠습니다.

트랜지스터의 접지 방식

트랜지스터의 단자는 3개이며 1개의 단자는 항상 입력회로와 출력회로의 공통단자가 되어야 합니다. 그러므로 3종류의 기본회로는 각각 다른 전기적인 특성을 가지게 되는데요. 공통단자의 이름에 따라 각각 이미터, 컬렉터, 베이스 접지회로라고 합니다. 

■ 베이스 접지회로
이 회로는 입력용량이 작기 때문에 주로 고주파증폭에 사용됩니다. 큰 이미터 전류가 신호원에 부하를 가하므로 전류 증폭도는 1보다 작습니다.

■ 이미터 접지회로
이 회로는 가장 많이 사용되는 회로로써 증폭도가 가장 큰 회로입니다. 그리고 입출력의 위상이 역위상이며 전력증폭에 많이 사용됩니다.

■ 컬렉터 접지회로
이 회로는 고저항의 신호원을 저 저항의 증폭입력에 적응시킬 수 있는데요 이 방식은 전압 증폭도가 1이여서 주로 임피던스 변환에 많이 사용합니다.