오세훈(Oh sehun)

미래를 만드는 시스템 개발자 오세훈입니다.

우리의 인생을 방해하는 두 가지가 있습니다.
하나는 어느 것도 끝내지 않는 것,
다른 하나는 어느 것도 시작하지 않은 것.



베이스 바이어스 회로

베이스 바이어스 회로에서 필요한 전압과 전류를 구하고 이들을 이용하여 직류부하선을 구하는 방법을 알아 봅니다.

이 바이어스는 트랜지스터의 동작점(Q점)을 효과적으로 안정시키지 못합니다. 즉 Q점은 트랜지스터 의 전류이득인 베타(β)에 영향을 받습니다.

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  1. 다음과 같이 회로를 구성하고 Bread Board에 전원을 인가합니다.

  2. Multi Meter를 이용하여 트랜지스터 베이스(VBE)와 컬렉터 저항 양단의 전압(VC)을 각각 측정 하고, 옴의 법칙을 이용하여 전류를 구하여 기록합니다.

  3. 아래의 식을 이용하여 트랜지스터의 직류전류이득(𝛽𝑑𝑐)을 구한 다음에 기록합니다.

    𝛽𝑑𝑐 = 𝐼𝐶 / 𝐼𝐵

  4. 멀티미터를 이용하여 𝑉𝐵와 𝑉𝐶𝐸를 개별적으로 측정하고 기록합니다.

  5. 실험순서 3에서 구한 𝛽𝑑𝑐 와 베이스-이미터 전압의 일반적인 값인 0.7V를 이용하여 계산한 기대값을 실험순서 4에서 측정한 값과 비교하고 그 값을 기록합니다.

  6. ‘유용한 공식’을 참조하여 직류부하선의 포화점과 차단점을 구하고 표에 기록합니다.

  7. 그래프 용지에 직류부하선의 양쪽 끝점으로 포화전류 𝐼𝐶(𝑠𝑎𝑡)와 차단전압 𝑉𝐶𝐸(𝑜𝑓𝑓)를 이용해 직 류부하선을 그려 넣고, 앞서 측정한 𝐼𝐶와 𝑉𝐶𝐸를 가지고 이 그래프에 Q점을 그려 넣습니다.

  8. 다른 트랜지스터를 이용하여 실험순서 2~6을 반복하고 기록합니다.

  9. 전원을 차단하고 560kΩ의 저항을 가변저항으로 바꿉니다. 전원 인가 후 멀티미터를 이용하여 트랜지스터의 컬렉터와 접지 사이의 전압을 측정합니다.

  10. 멀티미터 상에서 𝑉𝐶𝐸값이 최대(𝑉𝐶𝐸(𝑜𝑓𝑓))가 될 때까지 가변저항기를 돌린다. 이 조건에서 컬렉 터전류(𝐼𝐶(𝑜𝑓𝑓) )를 측정하여 기록합니다.

  11. 컬렉터전류가 최대가 될 때까지 가변저항기를 천천히 돌립니다. 이 때의 전류가 컬렉터 포화전 류 𝐼𝐶(𝑠𝑎𝑡)이다. 이 조건에서 컬렉터-이미터 전압(𝑉𝐶𝐸(𝑠𝑎𝑡))을 측정하고 기록합니다.

  12. 활성영역 내에 있는 직류부하선상에 다섯 개의 점을 표시할 수 있도록 가변저항기를 천천히 돌리면서 𝐼𝐶와 𝑉𝐶𝐸를 각각 다섯 번 측정하여 기록하고, 그래프에 그려 넣는다.

2N3904 Datasheet

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차단 영역(Cutoff Region) / 포화 영역 (Saturation Region) / 활성 영역 (Active Region)

두개의 트랜지스터를 비교하여 파라미터가 큰 변동이 있는지 확인합니다.

Table - 1 직류값 표

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Table - 2 직류부하선 표

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전압 분배 바이어스

전압분배 바이어스 회로에서 필요한 전압과 전류를 구하고 그것을 이용하여 직류부하선을 구합니다.

두 개의 베이스저항(전압분배 회로를 구성하는)에 흐르는 전류에 비해 베이스로 흘러 들어가 는 전류가 작습니다. 따라서 베이스전압, 나아가 컬렉터전류가 트랜지스터의 변화하여도 안정하게 됩니다.

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  1. Figure B. 와 같은 전압분배 바이어스에서 직류 베이스 무신호 동작전압(𝑉𝐵), 이미터전압(𝑉𝐸), 컬 렉터전압(𝑉𝐶) 및 컬렉터-이미터간 전압(𝑉𝐶𝐸)의 기대값을 계산하여 기록합니다.
  2. 회로를 구성하고 전원을 인가한 뒤 멀티미터를 사용하여 𝑉𝐵, 𝑉𝐸,𝑉𝐶, 𝑉𝐶𝐸 를 측정하여 기록합니다.
  3. 컬렉터 무신호 동작전류를 측정하여 식 3으로 구한 기대값과 비교하고 기록합니다.
  4. 식 6과 7을 이용하여 이 회로의 직류부하선상에 있는 포화와 차단점을 구하여 에 기록 한 뒤 직류부하선상의 양쪽 끝점인 𝐼𝐶(𝑠𝑎𝑡)과 𝑉𝐶𝐸(𝑜𝑓𝑓)를 계산하여 그래프에 그립니다.
  5. 𝐼𝐶과 𝑉𝐶𝐸를 이용하여 Q점을 그려 넣습니다.
  6. 다른 트랜지스터를 이용하여 앞의 실험을 반복하고 결과를 기록합니다.
  7. 𝑅1 , 𝑅2 대신에 가변저항을 달고 Figure C. 와 같이 구성합니다.
  8. 전원 인가 후 트랜지스터의 컬렉터와 이미터 핀 사이의 전압을 측정합니다. 가변저항기를 천천히 돌려서 𝑉𝐶𝐸가 최대값(𝑉𝐶𝐸(𝑜𝑓𝑓) )이 되도록 한 다음 측정값을 기록합니다.
  9. 트랜지스터의 컬렉터 전류(𝐼𝐶)를 측정하면서 가변저항기를 천천히 돌려 컬렉터 전류가 최대값 (𝐼𝐶(𝑠𝑎𝑡) )이 되도록 합니다. 컬렉터-이미터 간의 전압(𝑉𝐶𝐸(𝑠𝑎𝑡) )을 측정하고 기록합니다.
  10. 활성영역 내에 있는 직류부하선상에 다섯 개의 점을 표시할 수 있도록 가변저항기를 돌리면서 𝐼𝐶과 𝑉𝐶𝐸를 각각 다섯 개씩 측정하여 에 기록하고 그래프에 그려 넣습니다.

Table - 3 직류값 표

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Table - 4 직류 부하선 표

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이미터 바이어스 회로

이미터 바이어스 회로에서 필요한 전압과 전류를 구하고 이들을 이용하여 직류부하선을 구합니다.

양, 음 두 개의 전압원을 사용합니다.

베이스 전위가 대략 접지에 가깝고, 이미터에 연결된 음(-)전원은 베이스-이미터 접합을 순방향 바이어스로 만듭니다.

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  1. Figure D. 와 같이 회로를 구성하고 전원을 인가합니다.
  2. 멀티미터로 접지에 대한 베이스, 이미터, 컬렉터 전압을 측정하고 베이스 및 컬렉터 전류를 계산 하여 기록합니다.
  3. 다음 식으로부터 트랜지스터의 직류전류이득(𝛽𝑑𝑐)을 구하고 에 기록한다. 𝛽𝑑𝑐 = 𝐼𝐶 𝐼𝐵 4. 𝑉𝐶𝐸를 측정하고 기록합니다.
  4. 실험순서 3에서 구한 𝛽𝑑𝑐 와 베이스-이미터 전압의 일반적인 값인 0.7V를 이용하여 계산한 기대 값을 실험순서 4에서 측정한 값과 비교하고 그 값을 기록합니다.
  5. 유용한 공식 식6, 식7을 이용하여 직류부하선상의 포화 및 차단점을 구하고 기록합니다.
  6. 직류부하선상의 양 끝점인 𝐼𝐶(𝑠𝑎𝑡)과 𝑉𝐶𝐸(𝑜𝑓𝑓)의 값을 계산합니다.
  7. 다른 트랜지스터를 이용하여 실험순서 1~5를 반복하고 기록합니다.

Table - 5 직류값 표

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Table - 6 차단과 포화 표

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실험 결과 및 고찰

실험 1, 2, 3 모두 VBE = 0.7V로 일반적 상황으로 가정하여 기대값 계산을 진행하였습니다.

하지만, 실제 2N3904 데이터 시트에 따 르면 IC = 10mA, IB = 1mA에서 VBE는 0.65V ~ 0.85V의 범위를 갖고 IC = 50mA, IB = 5mA에서 VBE는 0.65V ~ 0.95V의 범위를 갖습니다. 따라서 기대값과 실험 결과의 너무 크지 않지만 약간의 오차가 발생하는 것을 볼 수 있습니다.

실험 1, 2, 3의 회로는 무슨 차이가 있을까??

실험 1, 2, 3은 각각 다음과 같습니다.

실험 1 : 베이스 바이어스 회로

실험 2 : 전압 분배 바이어스 회로

실험 3 : 이미터 바이어스 회로

베이스 바이어스 회로는 가장 간단한 바이어스 방법으로 저항이 베이스와 전원 전압 사이에 연결되어 VCC 하나의 전원으로 베이스 와 컬렉터 전원 공급을 하는 것 회로입니다.

이 베이스 바이어스 회로는 온도의 증가로 BDC값이 변화해 VBE 전압이 감소하여 전류 이득이 증가합니다.

따라서 같은 회로에도 컬렉터 전류는 베이스 바이어스로 되어 큰 차이가 발생할 수 있습니다.

하지만, 이번 진행한 실험에서 실험실 온도가 일정할 때 빠르게 트랜지스터를 바꿔서 BDC값이 크게 변하지 않아 일정한 데이터가 나온 것이라 생각됩니다.

이미터 바이어스 회로는 베이스 바이어스 보다 안정된 형태이며 + 전원과 – 전원을 사용하여 베이스 전압을 접지 전위로 만드는 하나의 바이어스 저항으로 구성하여 적은 베타값으로 인해 온도의 영향으로부터 안정적입니다.

하지만, 두 전원을 사용해야 하므로 회로가 복잡합니다.

VCC 하나의 전원으로 안정적인 동작을 할 방법이 없을까?

전압 분배기를 사용해 두 개의 저항 R1, R2는작은 전류를 요구하는 어떤 부하에 대해서도 베이스 전압을 거의 같은 값으로 유지합니다.

따라서 온도나 전류 증폭률의 변화에도 안정적입니다.

트랜지스터 회로 특징
베이스 바이어스 간단한 회로, BDC의 변동으로 컬렉터 전류 증폭률 변동이 큼
이미터 바이어스 두개의 전원으로 회로가 복잡, 베이스 전압을 접지로 하여 작은 베타값으로 안정적
전압 분배 바이어스 간단한 회로, 베이스 전압을 전압 분배기로 작은 베타값으로 안정

OrCAD 시뮬레이션

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베이스 바이어스 이미터 바이어스 전압 분배 바이어스에 대한 온도 변화 별 IC 전류량 측정 OrCAD 시뮬레이션입니다.

OrCAD의 온도 설정은 0도 27도 125도로 설정하였습니다.

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베이스 바이어스 0도, 27도, 125도의 IC 전류량

위에서부터 0도, 27도, 125도의 그래프입니다.

온도의 변화에 전류량이 가장 큰 값과 가장 작은 값의 편차가 약 3.15mA가 발생한 것을 알 수 있습니다

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이미터 바이어스 0도, 27도, 125도의 IC 전류량

위에서부터 0도, 27도, 125도의 그래프입니다.

온도의 변화에 전류량이 가장 큰 값과 가장 작은 값의 편차가 0.18mA가 발생한 것을 알 수 있습니다

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전압 분배 바이어스 0도, 27도, 125도의 IC 전류량

위에서부터 0도, 27도, 125도의 그래프입니다.

온도의 변화에 전류량이 가장 큰 값과 가장 작은 값의 편차가 0.035mA가 발생한 것을 알 수 있습니다

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시뮬레이션 결과 및 고찰

베이스 바이어스의 편차 : 약 3.15mA

이미터 바이어스의 편차 : 약 0.18mA

전압 분배 바이어스의 편차 : 약 0.035mA

따라서 온도 변화에 따라 BDC값이 변동하는 베이스 바이어스의 경우 편차가 가장 큰 것을 볼 수 있습니다



참고