[Harman 세미콘 아카데미] 32일차 - PSpice(BJT, 소신호 등가 모델)

[BJT]

 

NPN Transistor

 

E(Emitter, 발광층)

: 무엇을 내보낸다는 뜻으로, NPN에서는 전자를 내보내고 PNP에서는 정공을 내보낸다.

C(Collector, 수집층)

: 무엇을 모은다는 뜻으로, Emitter에서 나온 전자 또는 정공을 모은다.

Base(Base, 기본층)

: 가장 얇은 층으로 중앙에 위치하며 P형이거나 양극성 도핑을 가지고 있다.

  cf) 도핑 : 반도체 소자의 전기적 특성을 제어하기 위해 다른 원자들을 첨가하는 과정

 

1. 작동 원리

    1) 기본 동작

       ¤ B-E 접합에 순방향 바이어스(약 0.7V)를 가하면,

          E영역의 전자가 베이스 영역으로 주입된다.

       ¤ B영역의 다수 캐리어인 정공도 E영역으로 주입된다.

          (E영역의 도핑농도가 더 높아서 E로 주입되는 전자보다 정공의 수가 더 많다.)

 

    2) 활성 모드(Vce > Vbe)

        ¤ E에서 B로 주입된 전자 중 일부는 베이스 영역의 정공과

           재결합하여 소멸된다.

        ¤ 나머지 일부 전자는 C로 넘어가 컬렉터 전류(Ic)를 형성한다.

 

    3) 포화 모드(Vce < Vbe)

        ¤ B-E 접합과 B-C 접합이 모두 순방향 바이어스인 경우, 포화모드가 된다.

           ▶ 도통되어 버린다는 의미

        ¤ Vce가 Vbe보다 작아지는 순간, 포화모드가 된다.

        ¤ 이때, B-C 접합은 역방향 바이어스가 되며, 이로 인해 Ib(Base 전류)가

           거의 없어지고 Ic는 최대로 흐른다.

 

    4) 전류 제어

        ¤ 포화모드에서는 Vce의 크기에 따라 전류가 결정되며,

           Vce < Vbe일 때, 거의 도통 상태이다.

        ¤ Vce > Vbe인 경우(활성 모드) 전류가 조절되며,

           이때 Ic는 전압에 따라 변화한다.

 

위와 같은 방식으로 NPN Transistor는

활성모드에서는 전류 증폭을 수행하고 포화모드에서는 전류 제어용으로 사용되며,

공통적으로 스위칭 동작을 수행한다.

전류의 양은 Vce와 C 이전의 저항에 의해 결정되며,

Vce가 작으면 전류가 거의 도통하고 Vce가 커지면 전류가 컨트롤된다.

활성모드에서

NPN 트랜지스터는 작은 입력 전류(Ib)를 주입하면 큰 출력 전류(Ic)를 C로 얻을 수 있으며,

이로 인해 전류를 증폭하는 기능을 수행한다.

또한 활성 모드에서는 전류가 연속적으로 흐르는 연결된 회로를 구성하고,

Conduction 상태로 사용될 수 있다.

▶ Vde를 조절하여 Ib로 흐르는 전류에 따라 Ic도 비례하여 증폭된다.

cf) 컨덕션 상태

     : 전류가 연결된 회로를 통해 흐르는 상태

 

포화모드에서

B-E 와 B-C 접합이 모두 순방향 바이어스인 상태로,

트랜지트터가 거의 도통 상태로 동작한다.

이때는 전류 증폭 능력이 크게 감소하며,

주로 스위칭 동작에 사용되어 전류가 흐르거나 차단되는 역할을 한다.

동작 모드	B-E	B-C	동작
차단 모드	역전압	역전압	개방 Switch
활성 모드	순전압	역전압	증폭기
포화 모드	순전압	순전압	도통 Switch

 

2. 기능

    1) 전류 증폭(Current Amplification)

        ¤ NPN 트랜지스터는 활성 모드에서 작은 입력 전류(Ib)를 주입하면,

           E에서 B로 주입되는 전자의 수가 많으므로, 큰 출력 전류(Ic)를 C에서

           얻을 수 있다.

        ¤ 이러한 특성으로 인해 작은 입력 전류를 컨트롤하면,

           큰 출력 전류를 얻을 수 있으므로 전류의 증폭 기능을 한다.

 

    2) 스위칭(Switching)

        ¤ NPN 트랜지스터는 스위치로서 사용할 수 있다.

        ¤ B에 충분한 전류를 주입하면, B와 C 사이에 전류 흐름이 크게 증가하여

           Tr이 On 상태가 된다.

        ¤ 이와 반대로 작은 전류만 B에 주입하면, Tr은 Off상태가 되어 전류 차단.

 

    3) 전류 제어

        ¤ 포화모드에서는 Vce의 크기에 따라 전류가 결정되며,

           Vce < Vbe일 때는 거의 도통(포화)상태이다.

        ¤ Vce > Vbe인 경우, Ic는 전압에 따라 변화한다.

           이때 C와 E 사이에 저항(Rc)을 연결하여 전류의 양을 컨트롤한다.

           Rc의 값에 따라 Ic를 조절하여 원하는 전류를 얻을 수 있다.

 

 

IV curve와 바이어스 회로를 활용하여 동작점을 구할 수 있다.

 

소량의 전류만으로 출력 전류의 증폭이 가능하다.

 

IV Curve와 바이어스 회로를 활용하여 동작점 찾기

 

1. IV Curve에서,

    BJT의 출력 전류(Ic)와 입력 전류(Ib) 간의 관계는 다음과 같이 표현된다.

    Ic = β x Ib

    : 출력 전류(Ic)는 입력 전류(Ib)에 비례하여(증폭률 : β) 증폭된다.

 

2. Vce와 Ic 사이의 관계는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

    Vce = Vcc - Ic x Rc

    Ic = (Vcc / Rc) - (Vce / Rc)

    (Vce는 C와 E 사이의 전압이며, Ic는 컬렉터 전류, Rc는 C와 Vcc(전원) 사이의 저항

 

따라서 BJT의 IV Curve를 이용하여 Ic와 Ib 사이의 관계를 확인하고,

이를 바탕으로 Vce와 Ic 사이의 관계를 구하는 것이 가능하다.

위 사진과 같이 각 value를 만족시키는 그래프를 그려서 중첩되는 부분이 동작점이며,

이를 통해서 Amp가 가능한 지점을 찾을 수 있다.

 

 

[소신호 등가모델]

 

임피던스 해석과 같이 선형적(Linear)으로 해석할 수 있는 성분은 해석이 비교적 간편하다.

하지만, 능동소자(Diode, BJT, MOSFET)들의 해석은 비선형적으로 이루어지기 때문에

비교적 어렵게 다가올 수 있다.

이러한 비선형적인 해석을 선형적으로 풀이할 수 있도록 만들어 주는 것이

바로 소신호 해석이다.

 

소신호 등가 회로는 트랜지스터의 복잡한 동작을 해석하기 위해 사용된다.

다른 의미로는 능동 소자의 비선형 효과가 우려되는 회로(Dioce, BJT, MOSFET)와

같은 회로를 해석하는데 도움이 된다.

소신호 모델에서는 종속 전류원이라는 개념을 사용하며,

이는 입력 전압의 변화에 따른 전류의 변화를 표현하는 것을 의미한다.

종속 전원은 트랜스 컨덕턴스와 입력 전압의 곱으로 표현 가능하며, 

Diode, BJT, MOSFET의 소신호 등가 모델은 아래와 같다.

 

 

 

Common Emitter

 

Common Emitter(CE, 공통 이미터)는

입력을 B 단자에 인가하고 출력은 C 단자에서 나오며,

E 단자가 공통 접지에 연결되어 있어 Common Emitter라고 불린다.

 

Vin 전압원은 직류 성분과 교류 성분이 함꼐 존재하게 되는데,

직류 성분은 Q1이 활성영역(Active Region or Mode)에 동작하기 위해 인가되고

교류 성분은 어떤 Data 성분을 가지고 있는 정현 성부으로  생각하고

NPN 트랜지스터인 Q1은 Vin의 직류로부터 고정된 컬렉터 전류를 제공함과

동시에 시간에 따라 변화하는 컬렉터 성분을 제공한다.

 

Rc는 부하저항으로써 사용되고 고정된 컬렉터 전류에 의해 출력 전압을 정의하고

시간에 따라 변하는 출력 전압을 제공한다.

따라서 저항 값과 시간에 따라 변하는 출력 전압의 크기는 다르다.

 

※ 소신호 등가모델 적용

   i) Vout node에 KCL 적용

     

   ii) Vπ 는 접지되어 있으므로 Vin과 같은 전압

   iii) 전압이득(Av, 입력전압과 출력전압의 비)

gm : 트랜스 컨덕턴스, gm = Ic/Vt

 

만약 주파수가 높다면, S파라미터로 해결 가능하지만,

이 것들은 주파수가 낮아서 그냥 이렇게 bias 상태에서 보고 계산한다.

 

Common Emitter 회로

전류를 증폭시키는 기능을 한다.

 

위와 같이, C를 제거해버리면 Common E 이므로 입력과 출력이 반전되어 버린다.

 

Common Emitter에서

E측에 저항을 달아주는데, 그 이유는 트랜지스터의 전류와 전압을 제어하고 온도 안정성을 높이기 위함이다.

하지만 이 저항때문에 일부 Ib가 Emitter 측으로 흐르게 되어 Gain(증폭률)이 감소되고 결과적으로 Ic가 약간 감소하게 된다.

E측 저항으로 인해 gain이 감소하는 이유

: Emitter 저항은 전류 증폭을 담당하는 트랜지스터의 동작을 제어하는 요소이기 때문에,

  이 저항의 크기가 변하면 전류 증폭에 영향을 미친다.

  일반적으로 Emitter 저항을 크게 설정하면 전류 증폭이 감소하게 되어 gain이 감소하는 현상이 발생한다.

 

  트랜지스터의 gain은 Base와 Emitter 사이의 전류 증폭에 의존하므로,

  Emitter 저항의 값이 크면 큰 전압이 필요하고 전류 증폭이 더 작아지고

  이로 인해 전체 gain이 감소하게 된다.

 

이 것을 보상해주기 위해서 Emitter 저항에 커패시터를 병렬로 연결해 주는데,

이 것을 Capacitor Coupling(커패시터 결합)이라 한다.

커패시터는 저주파에 대해 저항으로 동작하는 특성을 가지고 이 특성덕분에 gain이 보상된다.

(커패시터는 AC를 pass하고 DC를 block한다.)

 

만약 커패시터를 제거하면 어떻게 될까?

위에서 말한 것처럼 gain이 감소될 것이며, 이 현상을 전문 용어로 Direct coupling이라 부른다.

Direct coupling을 한 경우에는

저주파와 고주파 모두에서 Emitter 저항이 전체적인 gain에 영향을 미치기 때문에 출력과 입력이 반전되는 현상이 발생한다.

이를 '위상 반전' 이라고 하며 그 결과는 위의 Simulation과 같다.

 

 

Common Collector

 

BJT의 Common Collector(C-C) 구성은

C와 E 사이에 입력이 연결되고, B가 공통 연결되는 방식이다.

다른 이름으로는 Emitter Follower라고도 불린다.

 

C-C의 특징은 다음과 같다.

 

1. 전압 증폭이 없음

    : C-C는 주로 전압 증폭을 위한 구성이 아니라

      전류 증폭과 전압 버퍼의 역할을 위해 사용된다.

      출력 전압은 입력 전압과 거의 동일하거나 약간의 감소만 발생한다.

      ▶ gain = 1 

 

2. 입력 - 출력의 위상이 일치

    : 입/출력의 위상이 동일하다.

      입력이 양수로 변화하면 출력도 양수로 변화하고,

      따라서 입력 신호를 증폭하면서도 위상 반전이 일어나지 않는다.

 

3. 고입력 임피던스, 저출력 임피던스

    : 입력 임피던스가 높고 출력 임피던스가 낮아,

      다른 회로에 부하를 걸어도 영향이 적다.

 

4. 전류 증폭 및 전압 버퍼링

     : C-C는 전류 증폭 및 전압 버퍼링 역할을 수행하며,

       다른 회로로 전류를 공급하는 역할을 한다.

 

 

 

Common Base

 

Common base(C-B)의 구성은

B와 E 사이에 입력이 연결되고, C가 공통으로 연결되는 방식이다.

 

C-B의 특징은 다음과 같다.

 

1. 전압 증폭

    : C-B는 주로 전압 증폭을 위한 구성으로 사용되며,

      입력 전압이 출력 전압으로 증폭되는 역항을 수행한다.

 

2. 저입력 인피던스, 고출력 임피던스

    : 입력 임피던스가 낮고 출력 임피던스가 높다,

      다른 회로로의 전력 손실이 적다.

 

3. 입/출력 위상 반전

    : 입력과 출력의 위상이 반대로 되기 때문에

      입력이 양수로 변화하면, 출력은 음수로 변화한다.

 

4. 전류 버퍼의 역할

    : 입력과 출력의 전류를 거의 동일하게 유지하는 특성을 갖기에

      전류 버퍼로서의 역할을 수행한다.

 

 

 

Snubber Circuit

No snubber

Diode Snubber

Relay, Buzz, Motor, Vibrator 류의 구동회로에서는 인덕터의 잔류 전류 특성으로 인해

스위칭 소자 Off 시, 고압의 펄스 Noise가 발생한다.

따라서 이러한 고압의 Noise는 스위칭 소자를 파괴시킬 수 있으므로

Snubber Circuit(대책 회로)를 구성해 소자를 보호해야 한다.