Electron 08

전 자 회 로 (2) 제 8 장 ( 명 기환 . 유 회영 공저 : 보문당 )

2006 년도 2 학기

우송공업대학 디지털전자정보 전공 (1 학년 1 반 / 2 반 )

강사 : 이 상호 ( 011-453-0011 ) [email protected]

제 8 장 : 공통 컬렉터 (CC), 공통 베이스 (CB) 증폭기• 높은 임피던스 전원을 낮은 임피던스 부하에 연결하면 대부분의 교류신호는 전원의 내부 임피던스에 걸린다• 중간의 이미터 폴로워 (CC 증폭기 ) 는 임피던스 레벨을 상승시켜 신호손실을 줄인다 8-1 공통 컬렉터 (CC) 증폭기 : Rc 는 0 이기 때문에 컬렉터가 교류 접지된 증폭기 직류전압 Vin 이 베이스를 구동시키고 있을 때 직류전압 Vout 은 이미터 저항에 나타남

제 8 장 : 공통 컬렉터와 공통 베이스 증폭기 (1)

그림 8-1 CC 증폭기 (e)

(d)

(c)(b)(a)

베이스에 0.7V 만큼부트스트랩

Vin-VBE

Vin 과 Vout 는 동위상Vin,Vout 는 VcE 와 역상

가 . 기본개념 1) CC 증폭기는 컬렉터 저항이 단락 접지되어 있고 , 출력이 이미터로부터 나오는 크게 스왐핑된 CE 증폭기와 같다 2) 이미터는 베이스에 부트스트랩되어 있으므로 직류 출력전압 Vout=Vin-VBE (8-1) 3) 직류 이미터 전압이 직류 베이스 전압을 따르기 때문에 이미터 폴로워라 한다 4) 그림 (b) 의 입 . 출력 변화는 Vin 이 2V 이면 Vout 은 1.3V 까지 증가하는 동위상 관계 나 . 위상관계 : VCE 와 입 . 출력 전압의 관계 1) 그림 (a) 에서 VCE = VCC-Vout 로 , VCE 는 VCC 및 Vout 와 역위상 관계 (VCC 증가 시 감소 ) 2) 그림 (b),(c) 에서 Vin 이 1V 증가하면 Vout 은 1V 증가하나 VCE 는 1V 감소 역위상 동작 다 . 직류 부하선 1) 컬렉터 루프 방정식 VCE+IERE-VCC=0 이고 , IE≒IC 이므로 , (8-2) 2) 그림 (d) 는 입력이 직류와 교류성분을 같이 포함하고 있을 때 IC 와 VCE 가 정현파를 나타내고 있기 때문에 교류 부하선은 직류 부하선과 같다 3) (e) 의 입력신호가 교류 부하선 전 영역을 사용할 만큼 커서 포화 / 차단될 수 있다 4) 이것은 그림 (e) 처럼 출력전압의 피크 - 피크 사이값의 변동을 VCC 로 제한 시킨다


그림 8-2 (a) 이미터 폴로워 (b) 교류 등가회로

νout=ieRE, νin=ie(RE+r’e) 이므로 νout 과 νin 의 비는A= νout / νin= RE / RE+r’e

라 . 전압이득 : 그림 (8-2) 적은 교류전압에 의해 구동되는 이미터 폴로워 와 등가회로

1) νout=ieRE, νin=ie(RE+r’e) 이기 때문에 νout 과 νin 의 비는 (8-3) 2) 대부분 이미터 폴로워는 RE 가 r’e 보다 훨씬 크기 때문에 전압이득 A≒1 이 된다 마 . 작은 왜곡 : 이미터 폴로워는 원래 작은 왜곡을 갖는 증폭기로 , 이미터 저항은 바

이어스되어 있지 않고 또 스왐핑은 매우 크기 때문에 이미터 다이오드의 비선형성 은 거의 제거된다 . 전압이득이 약 1 이기 때문에 입 . 출력은 거의 완전한 복사 이다

8-2 이미터 폴로워의 교류 등가회로


그림 8-4 이미터 폴로워의 교류 등가회로 그리는 방법을 단계적으로 그린 그림

(a) 저항값이 Rs 인 교류 전원의

이미터 폴로워 구동

(d) 출력 전류에대한 등가회로(c) 교류 등가회로

(b) 입력 임피던스 는바이어스 저항들의병렬 연결로 구성

가 . 입력 임피던스 1) 그림 8-4(a) 의 저항값이 RS 인 교류전원은 이미터 폴로워를 구동 시킨다 2) 베이스 입력 임피던스 zin(base) 와 바이어스 저항 때문에 교류신호의 일부가 전원저 항 RS 에서 손실되며 , 그 양이 얼마인가 하는 것이 중요하다 3) 먼저 입력 임피던스 는 스왐핑이 크게 된 증폭기이기 때문에 4) 많은 이미터 폴로워는 RE 가 r’e 보다 훨씬 크므로 간략화 된다 (8-4) 5) 본 이미터 폴로워는 β 에 의해 입력 임피던스가 설정되며 zin(base) 는 매우 높다 6) 전체 입력 임피던스는 zin(base) 와 바이어스 병렬저항을 포함 (8-5a) 7) 전압분배 바이어스 안정시 βRE 보다 R1R2 가 100 배 이상커서 (8-5b) 8) 전형적인 이미터 폴로워의 입력 임피던스는 바이어스 저항들과 병렬연결로 구성 9) 전원신호 일부가 RS 에서 전압강하 되어 베이스 구동 입력전압은 조금 작아진다 나 . 출력 임피던스 1) 그림 (b) 에 데브난 정리적용 데브난 전압은 νin 이고 , 데브난 저항은 이다 2) 그림 (c) 에서 루프의 교류전압을 합성하면 3) 이기 때문에 ie 에 대해 풀면 4) 그림 (d) RE 는 출력임피던스가 (8-6) 인 교류전원에 의해구동 5) 베이스 교류 데브난 저항이 1/β 만큼 감소되었음은 낮은 출력 임피던스를 의미함 6) 무부하시 출력전압은 νout=Aνin 이고 이다 . RE 는 분모보다 훨씬커서 이므로 A≒1 이고 , 데브난 전압은 대략 Aνin 이다 7) 데브난 저항은 , RE 는 충분히 커서 무시하면 이다


다 . 교류 등가회로 ( 모델 )

1) 입력 임피던스는 zin , 출력전원은 Aνin , 출력 임피던스는 zout 이다 2) (b) 간략화된 교류 등가회로는 고장발견 , 수리 및 설계에 활용할 만큼 정확하다 3) 입력 임피던스를 R1 II R2 로 근사화 시킨다 4) 데브난 이득 ( 무부하 이득 ) 을 1 로 근사화 시킬 수 있어 , 데브난 출력전압이 입력 전압과 같음을 의미한다 8-3 다알링톤 증폭기 : 한 쌍의 이미터 폴로워가 직렬연결 되고 , 전체 전압 이득은

1 정도이나 입력 임피던스를 높게 하고 출력 임피던스를 작게 하기위해 많이 쓴다


그림 8-5 이미터 폴로워 (a) 교류 등가회로 (b) 간략화된 등가회로

그림 8-8 다알링톤 증폭기

가 . 직류해석 1) 1 단 TR 이 하나의 VBE 를 갖고 2 단 TR 역시 또하나의 VBE 를 갖는다 2) 전압분배기가 베이스에 걸리는 데브난 전압을 제공해 준다 3) 두 개의 VBE 값 때문에 제 2 단 에서의 직류 이미터 전류는 (8-7) 4) 제 1 단의 직류 이미터 전류는 제 2 단의 직류 베이스 전류와 같다 (8-8) 나 . 교류해석 1) r’e2 를 무시하면 , 제 2 단의 입력 임피던스는 zin(2)≒ β2RE 로 이 값은 제 1TR 의

이미터 에서 제 2TR 를 들여다본 것이다 . 2) r’e1 을 무시하면 제 1TR 의 베이스를 들여다본 입력 임피던스는 zin(1)=β1β2RE 이다 3) zin(1) 은 매우 높은 값이므로 다알링톤 증폭기의 입력 임피던스는 zin=R1 II R2 이 되고 , 여기서는 훨씬 큰 R1, R2 값을 이용할 수 있다는 것이다 . 4) 입력에서 교류 데브난 임피던스는 rth=RS II R1 II R2 이고 5) 제 1 단의 출력 임피던스는 이고 6) 제 2 단의 출력 임피던스는 로서 매우 작을 수 있다 7) 용어의 정리 : zout(2) : 다알링톤의 출력 임피던스 r’e1 : 제 1 단 이미터 다이오드의 교류저항 r’e2 : 제 2 단 이미터 다이오드의 교류저항 rth : RS II R1 II R2

β1 : 제 1 트랜지스터의 교류 베타 β2 : 제 2 트랜지스터의 교류 베타


다 . 격리 (isolation) 1) 신호를 직접 높은 임피던스 전원으로부터 낮은 임피던스 부하에 공급하면 교류전 압의 대부분은 전원 임피던스에서 손실된다 2) 이미터 플로워와 다알링톤 증폭기는 입력 임피던스는 증가 되고 출력 임피던스는 감소되어 낮은 임피던스의 부하로부터 높은 임피던스의 전원을 격리 시킨다 3) 신호손실을 막고 대부분의 부하저항들을 구동시킬 만큼 충분히 안정된 전원확보 라 . 다알링톤쌍 (Darlington pair) : 한나의 본체에 두 개의 다알링톤 쌍으로 연결된 TR

1) 2,000~20,000 정도의 매우 큰 β 값을 갖고 있는 하나의 트랜지스터 역할 2) 동일한 β=β1, β2 값을 갖는 단일 트랜지스터의 다알링톤쌍 연결과 똑같은 역할 마 . 광 다알링톤 (photo-Darlington) 1) 다알링톤쌍의 제 1 단 트랜지스터의 베이스가 개방 되었다 하더라도 온도에 의해 만들어진 작은 컬렉터 전류는 존재한다 2) 제 1 단의 컬렉터 접합면을 빛에 노출시킴으로서 광 트랜지스터 보다 β 배 더 빛에 민감한 광 다알링톤 소자를 만들 수 있다


그림 8-10 (a) npn 다알링톤 (b) pnp 다알링톤 (c) 광 다알링톤

8-4 결합형태 : 한 단의 출력으로부터 다음 단의 입력으로 신호를 결합 시켜주는 방법

가 . RC 결합 : 저항과 커패시터를 이용한 결합방법

1) 각 단 컬렉터 저항에 유기된 신호가 다음 단 베이스에 결합되는 가장 흔한 방법 2) 직렬 연결된 각단은 신호를 증폭 시키고 전체 이득은 개개단의 이득의 곱과 같다 3) 결합 커패시터들은 교류 전류를 통과시키고 직류 전류는 차단 각단을 격리 한다 4) 직류의 영향을 막으며 동작점 Q를 이동시키는 것이 필요하다 5) 결합 , 측로 커패시터에 의한 낮은 주파수 응답의 제한이 결점이다 6) 이미터 들의 접지점으로 바이패스용 측로 커패시터가 필요 ( 전압이득 보상 ) 7) 낮은 주파수에서 Xc 가 커져 단락으로 여기지 못해 부분적으로 궤환 , 이득 감소 8) 약 10Hz 이상 주파수에서 교류신호 증폭기로 RC 결합 증폭기가 적절 하다


그림 8-11 (a) RC 결합 증폭기

나 . 임피던스 결합 : 저항 RC 대신 인덕터로 대치시킨 결합방법

1) 각 단 컬렉터 저항대신 소모전력이 매우 작은 인덕터 (RF chokes) 로 대치 시킨다 2) 주파수가 증가하면 XL은 무한대로 커져 인덕터는 개방상태처럼 되며 , 직류 전류 는 통과 하나 교류 전류는 차단 시킨다 3) 장점으로 컬렉터 저항에서 신호전력 소모가 없다 4) 단점은 RF 초크가 값이 비싸고 낮은 주파수에서는 그것들의 임피던스가 떨어진다 5) 일반적으로 임피던스 결합은 단지 RF영역에 대해서만 적절한 방법이다 6) 이 주파수 영역은 20 kHz 이상이다


그림 8-11 (b) 임피던스 결합 증폭기

나 . 트랜스 결합 :

1) R1 과 R2 는 전압분배 바이어스를 만들어 준다 2) 교류 접지점을 형성하기 위해 1 차측 전선의 밑에 측로 커패시터를 사용하여 직류 공급점으로 다시 돌아오는 연결선의 인덕턴스를 피한다 3) 유사하게 교류 접지점을 얻기 위해서 2 차 권선의 밑에서도 측로 커패시터를 사용 하여 바이어스 저항들에서 신호전력 손실을 막아 준다 4) 부피가 크고 고가 임에도 20Hz~20kHz 사이의 오디오 증폭기에 널리 사용되었다 5) 고주파 에서 트랜스 크기가 작아지고 가격이 싸져 AM라디오 , TV 수신기에 쓰임 6) 커패시터는 주파수 공진을 얻기 위해 한 쪽 또는 두 권선에 측로로 연결된다 7) 각 1 차측 권선의 튜닝 커패시터는 공진 주파수 이외 모든 주파수를 filtering한다 다 . 직접결합 : 10Hz 이하 에서는 결합 및 측로 커패시터가 터무니 없이 커지게 되며 , 낮은 주파수나 저항값이 작아지면 그값이 더욱 커져야 한다 . 이러한 문제를 해결 하기 위한 직접결합 ( 결합 .측로 C 제거 ) 방법은 낮은 주파수에도 제약이 없다


그림 8-11 (c) 트랜스 ( 변압기 ) 결합 증폭기

8-5 직접결합 : 결합 및 측로 커패시터가 없는 회로

가 . 한 개의 공급전원을 갖고 있는 회로 1) 결합 및 측로 커패시터가 없는 직접결합 2 단 증폭기 이다 2) 정지 입력전압은 +1.4V 인데 0.7V 는 제 1 단 증폭기의 이미터 다이오드에 걸리고 , 나머지 0.7V 는 680Ω에 걸린다 3) 이 전압이 대략 1mA 의 컬렉터 전류를 흐르게 하고 , 이 전류는 컬렉터 저항에 27

V 의 전압을 발생 시킨다 (IE=VRE/RE=0.1mA),(IE≒IC),(VRC=ICRC=27V) 4) 그러므로 제 1 단의 컬렉터는 +3V 에서 동작 한다 (Vcc 30V- VRC 27V) 5) 제 2 단 이미터에 0.7V, 동시에 2.4kΩ 저항에는 2.3V 가 걸린다 (3V-0.7V)


그림 8-12 직접결합된 증폭기 0.7V

6) 이것이 컬렉터에 1mA 전류와 동시에 컬렉터 저항 24kΩ에 24V 의 전압강하 유도

7) 제 2 단 컬렉터와 접지점 사이의 전압은 6V 가 된다 (30V-24V) 8) 그러므로 정지 입력전압 +1.4V 는 +6V 의 정지 출력전압을 발생 시킨 결과이다 9) βdc 값이 커서 , 제 1 단 컬렉터에 대한 제 2 단 베이스의 부하효과를 무시할 수 없다 10) 제 1 단의 스왐핑 정도가 크므로 r’e 를 무시할 수 있고 전압이득은 11) 제 2 단 전압이득 , 전체 이득은 이다 12) 2 단 증폭기는 교류 입력신호를 400 배 증폭 시킨다 13) ( 입력전압이 +5mV 까지 변화하면 , 최종 출력전압 νout =Aνin =400 X 5mV = 2V 만큼 변화 한다 . 두 개의 반전 단이 포함되어 최종 출력은 +6V~ +8V 로 된다 ) 14) VBE 와 같은 트랜지스터 특성들은 온도변화에 따라 변화하고 , 이것은 컬렉터 전 류와 전압을 변화 시킨다 15) 직접결합 때문에 한 단에서의 전압변화는 다음 단에도 영향을 미쳐서 , 결국 최 종단에서의 증폭된 전압은 원하지 않는 변화를 드리프트 (drift) 라 한다 16) 두 개의 트랜지스터가 직접결합되어 구성된 차동증폭기가 드리프트를 최소한 부분적이라도 제거할 수 있다


나 . 접지점에 기준으로 둔 입력

1) 그림 8-12 의 2 단 증폭기 동작에 필요한 +1.4V 의 정지 입력전압을 얻기 위해서 접지점에 기준을 둔 ( 정지 입력전압이 0V 인 ) 입력단이 필요하다 2) 이 단은 입력 신호전원을 통해서 접지점으로 돌아오는 입력 베이스를 갖고 있는 pnp 다알링톤 연결이다 3) 제 1 단의 이미터 전압은 접지점보다 약 0.7V, 제 2 단의 이미터 전압은 약 1.4V

높다 4) 이 +1.4V 는 앞에서 설명한 것처럼 동작하는 제 2 단에 바이어스를 걸어 준다 5) 제 1 단 TR 의 정지전압 VEC 는 0.7V 이고 , 제 2 TR 의 정지전압 VEC 는 1.4V 이다 6) 그럼에도 두 저전력 TR 모두 VEC(SAT) 가 단지 약 0.1V 이기 때문에 활성영역내 동작 7) 입력신호는 전형적으로 수 mV 로 작은 신호가 존재할 때 활성영역내 계속 동작 8) pnp가 접지점에 기준을 둔 입력은 오디오 직접회로에 많이 쓰인다


그림 8-13 접지점에 기준을 둔 입력

pnp

npn

다 . 두 개의 (+, - 전압 ) 공급 전원을 갖고 있는 회로

1) +,- 두 개의 공급전압이 있을 때 입 . 출력 모두를 접지점에 그 기준을 둘 수 있다 2) 제 1 단은 IE 가 1mA 정도인 이미터 바이어스로 , 첫째 단 컬렉터에 약 +3V 를

걸어줌 3) 제 2 단의 이미터 다이오드 전압강하 VBE 를 빼면 이미터 전압은 +2.3V 가 된다 4) 제 2 단의 이미터 전류 1mA 정도가 컬렉터 저항을 통해 접지 사이에 전압은 +6V 5) 최종단의 이미터 저항 전압은 이미터 저항에 약 1mA 의 전류가 흘러 +5.3V 이다 6) 최종단의 컬렉터와 접지 사이의 전압은 대략 10V 이다 7) 출력전압 분배기는 출력의 기준을 접지점에 두게 하여 윗쪽 저항을 200kΩ으로 조정했을 때 최종 출력전압은 대략 0V 가 된다 8) 이런 저항의 조정은 한 TR 과 다음 TR 사이의 VBE 차이 및 저항의 오차를 제거 한다 9) 전체이득 A=( 제 1 단이득 3 X, 제 2 단 10 X, 제 3 단 4 X, 분배기 값 0.5) = 60

이다


그림 8-14 2 개로 분리된 공급전압이 직접 결합된 증폭기

다 . 직접결합 증폭기의 최종 요점 1) 모든 결합 , 측로 커패시턴스를 제거하여 한 단으로부터 다음 단으로 직류전류와 교류전류 모두를 결합시킬 수 있게 한다 2) 낮은 주파수의 제약을 받지 않아 0 Hz 까지 직류를 포함한 모든 주파수를 증폭 3) 공급전압에 있어서의 매우 느린 변화와 같은 원치 않는 입력도 증폭하는 단점 8-6 전압 안정화

가 . 제너 폴로워 : 제너 조정기와 이미터 폴로워의 결합회로 1) 이미터 폴로워는 제너 조정기의 동작을 개선시킬 수 있다 2) 제너전압은 베이스 입력전압 이므로 직류 출력전압 VOUT = VZ- VBE 이다 (8-10) 3) 이 출력전압은 고정되어 있고 , 입력전압이 변화해도 제너전압은 일정값 유지 나 . 두 가지 이점 : 제너 폴로워가 평범한 제너 조정기에 비해 갖고 있는 이점 1) Rs 를 통해 흐르는 직류전류는 제너 전류와 베이스 전류의 합이다 2) IB=IL/ βdc (8-11) 로 베이스 전류는 부하전류보다 훨씬 작기 때문에 수 m A 정도 작은 규격의 제너 다이오드 사용가능 , ( 제너 조정기는 부하전류 이상 규격 요구 ) 3) 제너 조정기의 출력 임피던스는 부하저항이 대략 제너 임피던스인 Rz 값을 가지나 제너 폴로워의 출력 임피던스는 가 된다 (8-12)


그림 8-16 제너 폴로워 (b) 등가회로

(a) 회로

4) 8-16(b) 회로는 전원이 안정되어 있어 , 부하전압을 일정한 값으로 유지시켜 준다 5) Zener diode 에 대한 낮은 부하와 낮은 zout 로 안정된 전압조정기 설계가능 6) 이미터 폴로워가 제너 조정기의 전류 조절능력을 향상 , 부하전류 βdc 배 증가 다 . 직렬전압 안정화 회로 : 직렬전압 조정기

1) Vin 은 조정되지 않은 입력전압 이다 2) 제너전압은 이미터 폴로워 베이스를 구동시키기 때문에 , 직류 출력전압은 제너 전압 보다 VBE 만큼 낮은 전압에 부트스트랩된다 3) 회로 설계에 반드시 고려해야 할 트랜지스터의 소모전력 PD=VCE IC (8-13) 4) 컬렉터 - 이미터간 전압은 입력전압과 출력전압의 차이 VCE=Vin-Vout 이고 , IE≒IC 5) 제너 폴로워는 직렬전압 조정기의 한 예로 , 컬렉터 - 이미터 단자들은 부하와 직 렬로 부하전류는 반드시 TR 을 통해 흘러야만 하는 통로 트랜지스터 회로이다 6) 단점은 통로 트랜지스터의 전력손실과 내부온도의 상승으로 방열 팬을 설치 라 . 온도의 영향 : 온도 상승에 따른 VBE 의 감소 1) VBE 는 온도 매 1℃ 증가할 때 2mV씩 감소한다 ( 25℃→75℃증가시 100mV 감소 ) 2) 제너 조정기의 출력전압 Vout=Vz- VBE 로 온도의 영향을 제거할 수 없다면 온도가 25℃→75℃로 증가시 VBE 가 0.7V→0.6V 로 감소한다는 것을 고려 하여야 한다


그림 8-17 통과 트랜지스터를 강조하기 위해 그려진 제너 폴로워

8-7 공통 베이스 증폭기 ( 접지 베이스 증폭기 )

가 . 공통 베이스 증폭기 (common-base amplifier) 또는 접지 베이스 증폭기 1) 동작점은 이미터 바이어스에 의해 설정 , 직류 이미터 전류는 (8-14) 2) 베이스는 교류 접지점 이고 , 입력신호는 이미터를 구동시키고 , 출력신호는 컬렉터로부터 얻어 진다


그림 8-18 공통 베이스 증폭기 (c) 단일 공급전원을 갖고 있는 회로 (d) 전압 - 분배 바이어스된 직류 등가회로

(a) 두 개의 공급전원을 갖고 있는 회로 (b) 이미터 바이어스된 직류 등가회로

나 . 공통베이스 증폭기의 교류 등가회로

1) 바이어스 저항들이 별영향을 미치지 못해 생략된 입력 임피던스 zin≒r’e (8-15) 2) 출력전압 νout=icRc, 동상인 입력전압 νin= νout=icrc, 전압이득은 3) ic≒ie 이기 때문에 전압이득의 근사식은 이다 (8-16) 4) 이 식은 공통 베이스 증폭기의 전압이득은 스왐핑되지 않은 공통 이미터 증폭기 의 전압이득과 크기는 같고 , 단지 위상이 반대라는 것을 말해 준다 5) 이상적인 경우 (a) 의 컬렉터 전류전원은 무한대의 내부 임피던스를 갖고 있기 때 문에 공통 베이스증폭기의 출력 임피던스는 zout ≒ Rc 가 된다 (8-17) 6) 교류모델 (b) 는 공통베이스 증폭기를 구동시키는 교류 전원에서 들여다본 입력 임피던스가 zin≒r’e 로 낮아서 대부분의 신호가 전원저항에서 손실되고 , 신호전원 에 과부하가 걸리게 되어 낮은 주파수에서 자주 사용되지 않으며 , CB 증폭기는 낮은 임피던스가 되어 있는 10MHz 이상의 높은 주파수에서 사용 된다 7) 직접회로 에서는 CB 회로가 차동증폭기 로서 폭넓게 사용된다 . 끝 .


그림 8-18 (a) 공통 베이스 증폭기의 교류 등가회로 (b) 공통베이스 증폭기의 교류모델

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