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CHAPTER 02 BJT 증폭기 BJT Amplifiers

CHAPTER 02 BJT 증폭기 BJT Amplifiers. 2 장 BJTT 증폭기. 2.1 기초 다지기. 2.1.1 바이폴라 접합 트랜지스터란 ? 2.1.2 BJT 의 동작모드 2.1.3 순방향 활성모드의 전류성분. 2.1.1 기초 다지기. Bipolar Junction Transistor(BJT). N 형과 P 형으로 도우핑된 3 개의 반도체 영역과 2 개의 PN 접합을 가짐 이미터 (Emitter), 베이스 (Base), 컬렉터 (Collector) 세 개의 단자를 가짐

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CHAPTER 02 BJT 증폭기 BJT Amplifiers

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Presentation Transcript

  1. CHAPTER 02BJT 증폭기BJT Amplifiers

  2. 2장 BJTT 증폭기

  3. 2.1 기초 다지기 2.1.1 바이폴라 접합 트랜지스터란?2.1.2 BJT의 동작모드2.1.3 순방향 활성모드의 전류성분

  4. 2.1.1 기초 다지기 Bipolar Junction Transistor(BJT) • N형과 P형으로 도우핑된 3개의 반도체 영역과 2개의 PN 접합을 가짐 • 이미터(Emitter), 베이스(Base), 컬렉터(Collector) 세 개의단자를 가짐 • NPN형 BJT와 PNP형 BJT로 구분됨 • 이미터의 화살표는 BJT에 흐르는 전류의 방향을 나타냄

  5. 2.1.1 바이폴라 접합 트랜지스터란? BJT 소자의 실제 구조 • 이미터: 전류운반 캐리어(전자 또는 정공)를 제공 • 베이스,컬렉터 영역에 비해 불순물 농도가 가장 높게 도우핑됨(N+,P+로 표시) • 컬렉터: 베이스 영역을 지나온 캐리어가 모이는 영역 • 이미터, 베이스 영역에 비해 불순물 농도가 가장 낮게 도우핑됨 • 베이스: 이미터와 컬렉터 사이의 중간 영역 • 중간 정도의 도우핑 농도를 가지며, 매우 얇게 만들어 짐

  6. 2.1.1 바이폴라 접합 트랜지스터란? 디지털 멀티미터(DMM)를 이용한 BJT 구별 방법

  7. 2.1.1 바이폴라 접합 트랜지스터란? BJT의 단자 전류와 전압 표시 • NPN형 BJT • 베이스와 컬렉터 단자로 들어간 전류가 이미터 단자로 나가는 동작 • PNP형 BJT • 이미터 단자로 들어간 전류가 베이스와 컬렉터 단자로 나가는 동작

  8. 2.1.2 BJT의 동작모드 바이어스에 따른 BJT의 동작모드 • 베이스-이미터접합과 베이스-컬렉터접합의 바이어스 조건에 따라 4가지 동작모드를 가짐

  9. 2.1.2 BJT의 동작모드 열적 평형상태 • BJT의 세 단자가 모두 개방된 상태 • 이미터, 베이스, 컬렉터 영역의 다수 캐리어가 접합의 전위장벽에 갇혀서 이동하지 못함 • BJT의세 단자에 전류가 흐르지 않음

  10. 2.1.2 BJT의 동작모드 순방향 활성모드 • B-E 접합;순방향 바이어스() • 순방향 바이어스에 의해 전위장벽이 낮아지게 되어, 이미터와 베이스 영역의 다수 캐리어가 상대 영역으로 이동B-E 접합에 전류가 흐르게 됨 • B-C 접합; 역방향 바이어스() • 이미터에서 넘어온 전자는 일부가 베이스 영역에서 정공과 재결합되어 소멸되고, 나머지는 B-C 접합의 전위장벽 아래로 끌려 내려가서 컬렉터 영역으로 이동 B-C 접합에 전류가 흐르게 됨

  11. 2.1.2 BJT의 동작모드 순방향 활성모드 • 베이스 전류는 컬렉터 및 이미터 전류에 비해 매우 작음 • 작은 베이스 전류 에 의해 큰 컬렉터 전류 가 제어되는 트랜지스터 작용이 일어남 • 컬렉터 전류가 베이스 전류에 비례하므로 증폭기로 사용되는 동작모드

  12. 2.1.2 BJT의 동작모드 순방향 활성모드의 NPN형 BJT에 흐르는 전류 성분 • 이미터 전류; ①의전자에 의한 전류 성분과 ②의 정공에 의한 성분 • 베이스 전류 ; ②와 ④의 정공에 의한 전류 성분 • 컬렉터 전류 ; ⑤의전자에 의한 전류 성분  작은 베이스 전류 에 의해 큰 컬렉터 전류 가 제어되는 트랜지스터 작용

  13. 2.1.2 BJT의 동작모드 포화모드 • B-E 접합; 순방향 바이어스() • 순방향 바이어스에 의해 전위장벽이 낮아지게 되어, 이미터와 베이스 영역의 다수 캐리어가 상대 영역으로 이동B-E 접합에 전류가 흐르게 됨 • B-C 접합;순방향 바이어스() • 순방향 바이어스에 의해 전위장벽이 낮아지게 되어, 베이스의 다수 캐리어가 컬렉터 영역으로 이동, 이미터에서 넘어온 전자가 컬렉터 영역으로 이동 B-C 접합에 전류가 흐르게 됨

  14. 2.1.2 BJT의 동작모드 포화모드 • 베이스 전류가 증가해도 컬렉터 전류가 거의 증가하지 않으므로 포화(saturation)라는 표현을 사용함 • BJT가 포화모드에 있으면 컬렉터와 이미터 사이의 전압이 대략 0.7V 미만 이므로 BJT가 닫힌(closed) 스위치로 동작함

  15. 2.1.2 BJT의 동작모드 차단모드 • B-E 접합;역방향 바이어스() • 역방향 바이어스에 의해 전위장벽이 높아지게 되어, 이미터와 베이스 영역의 다수 캐리어가 상대 영역으로 이동하지 못함B-E 접합에 전류가 흐르지 않게 됨 • B-C 접합;역방향 바이어스() • 역방향 바이어스에 의해 전위장벽이 높아지게 되어, 베이스와 컬렉터 영역의 다수 캐리어가 상대 영역으로 이동하지 못함B-C 접합에 전류가 흐르지 않게 됨 • BJT는 개방된 스위치로 동작함

  16. 2.1.2 BJT의 동작모드 BJT의 동작모드

  17. 2.1.2 BJT의 동작모드 동작모드에 따른 BJT의 응용 예 • 순방향 활성모드 • 베이스에 입력되는 작은 신호가 증폭되어 컬렉터에서 큰 신호가 얻어지는 증폭기로 동작

  18. 2.1.2 BJT의 동작모드 동작모드에 따른 BJT의 응용 예 • 포화 및 차단모드 • 차단모드; 열린 스위치로 동작 • 포화모드; 닫힌 스위치로 동작

  19. 2.1.3 순방향 활성모드의 전류 성분 순방향 활성모드의 전류 성분 • 베이스-이미터 전압()와컬렉터 전류의 관계 • 베이스 전류와 컬렉터 전류의 관계 • ; 공통이미터DC 전류이득, 베이스 전류가 컬렉터 전류로 증폭되는 증폭률 • 이미터, 베이스, 컬렉터 전류의 관계

  20. 2.1.3 순방향 활성모드의 전류 성분 순방향 활성모드의 전류 성분 • 공통베이스(또는 베이스 접지) 전류이득 • 이미터에서 베이스 영역으로 주입된 전자 중, 컬렉터에 도달하여 컬렉터 전류를 구성하는 비율

  21. 2.1.3 순방향 활성모드의 전류 성분 BJT의 컬렉터 전류-전압 특성곡선

  22. 2.1.3 순방향 활성모드의 전류 성분 BJT의 컬렉터 전류-전압 특성

  23. 2.1.3 순방향 활성모드의 전류 성분 BJT의 컬렉터 전류-전압 특성

  24. 2.2 BJT 증폭기의 바이어스 2.2.1 부하선과 동작점2.2.2 고정 바이어스 회로2.2.3 전압분배 바이어스 2.2.4 자기 바이어스 회로

  25. 2.2.1 부하선과 동작점 부하선(load line) • 부하전류의 변화에 따라 부하 양단에 나타나는 전압변화의 궤적을 그린 직선 • 직류부하선 상에 트랜지스터의 동작점(Q점)이 설정됨  BJT를 증폭기로 사용하기 위해서는 선형영역의 중앙 근처에 동작점을 설정

  26. 2.2.1 부하선과 동작점 [예제 2-1]

  27. 2.2.1 부하선과 동작점 동작점에 따른 입출력 파형의 왜곡 • 동작점이 차단점 근처로 치우친 경우 • 베이스 전류의 음(-)의 반주기 중 일부에서 BJT가 차단모드로 동작하여 컬렉터 전류가 0이 되는 부분이 발생출력파형에 왜곡이 발생

  28. 2.2.1 부하선과 동작점 동작점에 따른 입출력 파형의 왜곡 • 동작점이 포화점 근처로 치우친 경우 • 베이스 전류의 양(+)의 반주기 중 일부에서 BJT가 포화모드로 동작하여 컬렉터 전류가 포화되는 부분이 발생출력파형에 왜곡이 발생

  29. 2.2.1 부하선과 동작점 동작점에 따른 입출력 파형의 왜곡 • BJT 증폭기에서 선형으로 동작하는 신호범위를 최대로 하기 위해서는 선형영역의 중앙 근처에 동작점이 설정되어야 함

  30. 2.2.2 고정 바이어스 회로 고정바이어스

  31. 2.2.2 고정 바이어스 회로 고정바이어스 • 직류부하선 방정식 • 직류부하선과 베이스 바이어스 전류 의 교점에서 바이어스 전류와 전압이 와 (동작점 Q)로 설정됨

  32. 2.2.2 고정 바이어스 회로 [예제 2-2]

  33. 2.2.3 전압분배 바이어스 전압분배 바이어스

  34. 2.2.3 전압분배 바이어스 바이어스 안정도 • BJT의 와 는 온도에 비교적 민감하게 영향을 받으며, 트랜지스터에 따라 약간씩 차이가 있음 • 온도,트랜지스터 특성변화 등에 영향을 받지 않도록 안정된 바이어스를 인가하는 것이 중요함

  35. 2.2.4 자기 바이어스 회로 자기 바이어스

  36. 2.2.4 자기 바이어스 회로 자기 바이어스

  37. 2.2 BJT 증폭기의 바이어스 핵심 포인트

  38. 2.2 BJT 증폭기의 바이어스 [예제 2-3] 시뮬레이션 결과

  39. 2.3 BJT의 저주파 소신호 등가모델 2.3.1 하이브리드-π소신호 등가모델2.2.2 소신호 T-등가모델

  40. 2.3.1 하이브리드-π 소신호 등가모델 BJT의 소신호 등가모델 • 저주파(low frequency) 등가모델; 주파수 특성이 포함되지 않음 • BJT 내부의 기생 정전용량(parasitic capacitance)을고려하지 않음 • 고주파(high frequency) 등가모델; 주파수 특성이 포함됨 • BJT 내부의 기생 정전용량을 고려함 • 하이브리드(hybrid)-등가모델 • 증폭기 회로 해석에 널리 사용되는 등가모델

  41. 2.3.1 하이브리드-π 소신호 등가모델 전달컨덕턴스 • 순방향 활성영역에서 동작하는 BJT는 베이스-이미터전압 에 의해 제어되는 전압제어 전류원(voltage-controlled current source)으로 동작함  전달컨덕턴스(transconductance) 으로 모델링 • 은 증폭기의 전압이득에 직접적으로 관련되는 중요한 파라미터임

  42. 2.3.1 하이브리드-π 소신호 등가모델 전달컨덕턴스 gm

  43. 2.3.1 하이브리드-π 소신호 등가모델 와 • 공통이미터 소신호 전류이득; • 베이스-이미터소신호 저항;

  44. 2.3.1 하이브리드-π 소신호 등가모델 소신호 컬렉터 저항 • 베이스 폭 변조효과, 얼리(Early) 효과; 가 증가할수록 B-C 접합의 공핍영역이 확대되어 유효 베이스 폭이 감소 컬렉터 전류 증가 • BJT의 컬렉터 전압이 증가할수록 컬렉터 전류가 증가하는 현상 소신호 컬렉터 저항 로 나타남 (; 얼리 전압)

  45. 2.3.2 소신호 T-등가모델 소신호 T-등가모델 • 소신호 이미터 저항;

  46. 2.3.2 소신호 T-등가모델 BJT의 각 단자에서 본 소신호 등가저항

  47. 2.4 BJT 증폭기 회로 해석 2.4.1 공통이미터 증폭기2.4.2 이미터 저항을 갖는 공통이미터 증폭기 2.4.3 공통컬렉터 증폭기 2.4.4 공통베이스 증폭기 2.4.5 BJT 증폭기의 특성 비교

  48. 2.4 BJT 증폭기 회로 해석 BJT 증폭기의 기본 구조

  49. 2.4.1 공통이미터 증폭기 공통이미터 증폭기 • 입력전압 에 의해 생성되는 베이스 전류가 배 만큼 증폭되어 컬렉터 전류로 나타남. 컬렉터 전류와 의 곱에 의해 컬렉터에서 출력전압이 얻어짐 • 베이스에 인가되는 작은 전압이 컬렉터에서 큰 전압으로 증폭작용이 일어남 • 입력전압과 출력전압은 반대 위상

  50. 2.4.1 공통이미터 증폭기 공통이미터 증폭기

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