[HAM] 트랜지스터 증폭 회로의 동작특성 실험
앞서 트랜지스터 얘길 하면서 증폭작용이 어떻게 작동 하는지 살펴 봤었다. 사실 증폭 보다는 전자 스위치에 더 치중 했는데 이제 증폭 회로에 대해 좀더 살펴 보기로 한다.
2N2222 이라는 NPN형 트랜지스터를 가지고 실험도 해보자. 증폭회로에는 베이스에 바이어스를 거는 전압의 크기에 따라 A, B, C 그리고 AB 급 증폭으로 나눈다는데 무슨의미 인지 살펴본다.
트랜지스터의 동작은 베이스에 가하는 바이어스 전압의 수준에 따라 3가지 구역으로 나뉜다.
1. 차단 (Cut-Off)
2. 활성(Active)
3. 포화(Saturation)
트랜지스터라는 전자부품을 동작 시키려면 세 단자에 전압을 걸어줘야 한다. 이를 바이어스 전압(Bias Voltage)이라고 한다. NPN 트랜지스터를 동작 시키기 위한 바이어스를 거는 방법은 다음과 같다.
바이어스 전압을 걸었다고 해서 트랜지스터가 무조건 작동하는 것은 아니다. 동작 전압이란 것이 있다. 어느정도 전압을 줘야 전류가 흐를지 알기위해 트랜지스터의 특성표를 보자. 특성표는 두가지 인데 먼저 컬렉터와 에미터 사이에 걸린 전압 V_CE와 컬렉터에서 에미터까지 흐르는 전류 I_c의 관계다. 이때 베이스에서 에미터로 흐르는 전류 I_B에 따라 컬렉터 I_C의 전류량은 달라진다. 즉, I_B가 흐른다는 의미는 트랜지스터를 켜기 위해 베이스에 순방향 바이어스 전압을 걸었다는 뜻이다.
두번째 그림은 베이스에 걸린 바이어스 전압의 크기와 컬렉터 전류의 양을 보여준다. 베이스 전압이 일정정도 이상이 되어야 트랜지스터를 켤 수 있다. 베이스에 걸린 전압이 약 0.6볼트 이하면 트랜지스터의 베이스와 컬렉터 사이에 전류 통로가 닫혀 있게 되는데 이 구간은 닫힘(cut-off) 구간이라 한다. [NPN 트랜지스터의 베이스와 에미터 사이의 관계는 PN 접합 다이오드와 같다.]
베이스의 바이어스 전압을 높인다고 해서 컬렉터 전류도 무작정 증가하지 않는다. 아래의 실제 회로를 보자. NPN 트랜지스터의 컬렉터와 에미터에 1K옴 저항은 전류 흐름을 제한하기 위해 넣은 것이다. 베이스에 10k 옴의 가변 저항을 이용해 바이어스 전압을 조절하면서 트랜지스터의 작동을 살펴보자. 이 회로의 최대 전압은 5볼트다. 베이스에 걸리는 바이어스 전압을 가변 시키는 것은 저항 분압의 원리다.
차단(Cut-Off)구간: 저항 R2가 약 1.2k옴 이하면 베이스 바이어스 전압이 0.6볼트 이하가 되므로 차단구간이 된다.
활성(Active)구간: R2를 높여 바이어스 전압이 증가하면 컬렉터를 통해 에미터로 빠져나가는 전류량이 증가하므로 컬렉터의 전압이 감소한다. [간단한 옴의 법칙을 따른다. 고정된 R을 두고 전류와 전압은 역비례한다. R = V/I]
포화(Saturation)구간: R2를 높여 베이스 바이어스 전압을 계속 높이면 컬렉터 전압과 같아지는 때가 된다. 이때 베이스와 컬렉터의 전압이 역전되면 컬렉터 전류의 흐름이 감소하기 시작한다. 베이스와 컬렉터의 PN 접합에 순방향 전압이 건린 셈이되기 때문이다. 베이스 전압을 계속 증가시키면 결국 컬렉터 전류 흐름은 완전 차단되고 전압은 다시 5볼트가 된다. 이 동작을 하는 전압구간을 포화구간이라 한다.
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트랜지스터의 증폭회로는 활성 구간의 전압에서 작동하는 회로다. 아래의 왼쪽에 그려진 회로를 보자. 자연계에 존재하는 신호는 교류다. 시그널 제네레이터에서 출력되는 신호는 정현파 교류로 +1에서 -1볼트를 오가는 교류다. NPN 트랜지스터를 활성화 시키려면 +0.6 볼트 이상의 베이스 순방향 바이어스를 걸어줘야 한다. 말하자면 DC 영역에서만 작동한다. 따라서 시그널 제네레이터에서 나오는 교류를 0.6볼트 이상의 DC 영역으로 끌어올려야 한다. 이를 위해 저항 분압기(Voltage Divider)를 달았다. 사이에 470p의 컨덴서는 트랜지스터를 작동 시키기위해 끌어올린 DC 성분이 시그널 제네레이터의 AC 영역으로 치고 들어가는 것을 방지한다. 컨덴서는 직류를 차단한다.
이제 오른쪽 그림을 보자. 첨두치 1볼트인 AC 입력 파형 전체를 DC 영역으로 끌어올려 전 파형을 그대로 활용하는 경우를 A 급, 전체 파형중 반쪽 주기만 끌어올린 경우를 B 급, 파형의 반쪽도 않되게 주기성 정도만 끌어올린 경우를 C급이라 한다.
A급은 전 파형을 그대로 사용하므로 증폭된 파형 역시 전파형이 나온다. 원래 파형을 전부 쓰기에 충실도가 높다고 하고 고급 음향장치용 증폭이다. 항상 바이어스 전압이 걸리므로 전류소모가 많다. 베이스에 걸린 바이어스 전압이 증가함에 따라 트랜지스터가 작동하여 컬렉터에서 에미터로 흐르는 전류도 증가한다. 저항이 고정된 상태에서 전류의 증가는 전압의 감소로 이어진다. 따라서 베이스의 입력전압과 컬렉터의 전압은 위상이 반전되어 나타난다. [이또한 옴의 법칙]
B 급은 A급 정도는 아니지만 원 신호성분을 상당량 유지한다. 게다가 정현파의 절반은 그대로 거울상으로 동일하다. 바이어스 전압이 반주기 동안만 걸리므로 전류소모가 적다. 중급 음향장비나, 고출력 음향 증폭기에 사용된다.
C 급은 입력 파형 중 아주 일부만 사용한다. 이 경우 원 파형이 유지되지 않아 품질이 좋지 않다. 원 파형을 그대로 사용하지 않는 변조된 신호의 증폭에 사용한다. 그대신 아주 짧은 동안만 트랜지스터를 켜게 되므로 작은 전력으로 큰 증폭을 얻을 수 있어서 효율이 좋다고 말한다. 이런 동작은 무선 송신기 출력 증폭에 사용한다. 파형 일부만 증폭하므로 마치 고조파가 결합된 왜곡파가 되어버린 것과 같다. 따라서 L과 C를 엮어 저역 필터(LPF)를 통과시켜 송출한다. 이 저역필터 역활을 하는 회로를 탱크(TANK) 회로라 부른다. [탱크가 지나가며 남긴 자욱을 그려보라.]
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증폭은 입력 신호의 진폭전압 대비 출력 신호의 진폭전압의 비율이다. 따라서 증폭을 일으키려면 컬렉터에 연결된 저항을 에미터 저항보다 높여주어 전압 변화폭을 넓게 해준다. [이 또한 옴의 법칙으로 설명되는 저항 분압기와 같다.]
실험을 해보자. 진짜 그런지 봐야 믿는 거니까. 빵판에 꾸민 회로다.
A 급 증폭 결과. 에미터 저항 1k 옴, 컬렉터 저항은 1.5k 옴 정도 였다. 출력 파형 진폭이 약간 커졌다.
베이스의 저항 분압비를 높여서 바이어스 전압을 낮췄다. 트랜지스터를 켜는 구간이 좁아졌다.
이번에는 C 급 증폭이다. 입력 파형의 아주 일부분을 사용하여 트랜지스터를 작동 시킨다. A 급 증폭이 파형의 전 주기(2π)를 모두 사용 한다면, B 급 증폭은 반주기(π), C 급 증폭은 파형의 반주기 이하 구간 동안 트랜지스터를 켠다.
컬렉터 저항과 에미터 저항이 동일할 때 증폭율은 1이다. 이번에는 증폭율을 높여보자. 트랜지스터가 작동하여 전류가 흐름 통로가 열리면 저항 분압회로와 같다. 분압비를 크게하면 결국 진폭을 크게 할 수 있다. 컬렉터의 저항을 높이던가 에미터에 달린 저항값을 낮추면 된다. 컬렉터 저항 R_c = 1.5k 옴을 10k옴으로 높였더니 분압비가 커져서 진폭이 늘었다.
C 급 바이어스에 증폭이 과한 탓인지 출력 파형이 심히 왜곡되어 있다. 하지만 원파형의 주기(주파수)는 유지하고 있다. 이 파형을 탱크회로를 통과 시키면 어지간히 복원된다. (LC 시정수를 제대로 계산해서 만들면 거의 완벽히 복원 할 수 있다.)
결론: 모든 전자회로는 옴의 법칙과 전력공식으로 통한다.
* 출력 파형이 이상해 보이는 것은 실험을 대충한 탓입니다. ^^ 회로를 빵판에 꾸민 데다가 저렴한 측정장비 임에도 불구하고 너무 고주파를 써서 파형이 더 이상해 보입니다. 위 실험에서 사용한 신호는 2.5Mhz 입니다. 500Khz 정도로 낮추면 깨끗한 모습을 볼 수 있습니다. 좀더 전문가의 실험을 보고 싶다면 아래 동영상을 보세요. 위 실험을 위해 참조한 동영상 입니다.
Basics of Transistor bias point and the class of amplifier operation
https://youtu.be/c6cmkm3UPUI
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