[HAM] 트랜지스터 증폭기의 종류와 특성 실험

[HAM] 트랜지스터 증폭기의 종류와 특성 실험

앞서 트랜지스터 한개를 가지고 입력신호의 전압폭을 증폭하는 방법에 대해 다뤘었다[트랜지스터 증폭 회로의 동작특성 실험]. 입력신호에 바이어스를 전압을 더하는 정도에 따라 A, B, C 급 증폭기로 나뉜다. 주로 트랜지스터를 작동 시키기 위한 바이어스 전압에 관한 것이었다. 이번에는 증폭 회로의 종류에 대해 다룬다.

증폭 회로는 트랜지스터의 세 단자 중 전류 흐름이 모여지는 곳이 에미터라는 의미에서 에미터 공통(common emitter)회로라고 불렸다. 다른 회로에도 공통(common)이라는 말이 붙었으나 특별한 의미는 없다. 어쨌든 증폭 회로의 종류는 다음과 같다.

- 에미터 공통(Common Emitter) 증폭회로
- 컬렉터 공통(Common Collector) 증폭회로
- 베이스 공통(Common Base) 증폭회로

세가지 모두 전류는 에미터로 흐른다(NPN형 트랜지스터의 경우.) 입력을 주고 출력을 빼가는 지점이 다르다. 그에 따라 입출력 지점의 임피던스 특성이 다르며 취할 수 있는 증폭율의 크기도 다르다. 이를 바탕으로 용도가 결정된다.

이번 실험은 증폭회로의 실제활용 보다는 세가지 증폭회로의 정의(definition), 회로 구성(configuration), 기본특성(basic characteristic), 활용처(typical uses)등을 살펴볼 것이다.

입출력 임피던스

증폭회로를 들여다보기 전에 입출력 임피던스에 대해 잠시 생각해보자. 교류에 대해 전류흐름을 막아서는 저항을 임피던스라 한다. 어떤 회로의 입력 임피던스가 높으면 좋다고 하는데 이는 에너지를 작게 소모하면서도 회로를 반응 시킬 수 있기 때문이다.  오실로스코프 같은 측정기의 탐침(probe) 임피던스들이 1메가 옴이 넘는데 바로 피측정 회로에서 최소한의 전력을 뽑아쓰면서 측정할 수 있기 때문이다. 이에 반해 출력 임피던스는 작을 수록 많은 많은 전류를 흘릴 수 있다. 전계효과 트랜지스터 FET의 입력 임피던스가 높고 출력 임피던스가 낮다는 점을 특장점으로 꼽는 이유이기도 하다. 증폭회로의 증폭률을 입출력 전압비로 삼지만 전류량 역시 중요하다. 전자회로는 전력 화수분이 아니다. 전달할 에너지의 량은 전압과 전류를 함께 따져야 한다. 임피던스(저항)이 정해지면 전류와 전압은 반비례 관계다. 전류를 빼내면 전압강하가 일어나 신호를 왜곡시킨다.

에미터 공통 증폭회로(Common Emitter)

트랜지스터의 기본 동작원리를 그대로 따르는 가장 일반적인 회로다. 베이스에서 흘러드는 전류와 컬렉터에서 흘러오는 전류가 모두 에미터로 모인다. 입력은 베이스에 가하며 출력은 컬렉터에서 취한다.

이회로의 특징은,

- 입력 임피던스가 높다는 '장점'이 있다.
- 출력 임피던스는 다소 높아 '단점'이 되지만 높은 전압 및 전류 증폭을 얻을 수 있다.
- 출력 신호의 모습(전압변화)은 입력 신호에 반전된다.

실험에 사용할 회로는 아래 그림과 같다.

- 베이스 입력에 두 저항은 바이어스 전압을 설정하기 위한 것이다. 트랜지스터를 구동시키기 위해 순방향 바이어스로 만든다. 입력신호가 AC 파형이므로 전체를 위로 올린다[전압 분압]. 입력에 달린 컨덴서는 직류성분이 신호원으로 나가는 것을 차단 하려는 목적이다.

- 컬렉터와 에미터에 달린 저항은 각각 전류를 제한(current follow)하기 위한 것이다. 아울러 이 저항의 비가 전압 증폭율 A_v 을 결정한다. 그림의 회로에서 증폭율은 약 3배가 조금 넘는다 ( 680 / 180 ~ 3 ). 입력 전압 V_BE는 트랜지스터를 작동 시키면서 변화하는 저항(dynamic impedance) r_E를 만들어낸다.

- 에미터에 컨덴서를 달 수 있다. 이 컨덴서를 바이패스(bypass)용 컨덴서라 한다. 말 그대로 저항을 우회하여 교류성분이 포함된 전류를 통과 시킨다. 결국 에미터에 달린 저항의 역활을 약화 시켜 증폭율을 증가시킨다.

빵판에 회로를 구성하여 실험해보자.

- 신호 발생기(Signal Generator)에서 첨두치 약 50mV의 사인파를 생성하여 증포기 입력으로 공급한다.

- 오실로 스코프의 Ch1 은 50K옴 가변저항(분압기)을 이용해 순방향 바이어스로 올린 입력 측정. Ch2는 증폭기의 출력 측정

- 증폭기의 입출력 측정. 실험한 회로에 근접된 약 2배가량의 증폭율을 보여준다. 에미터 공통 증폭기의 특성은 입력과 출력이 반전된다.

- 입력에 50k 옴 가변저항을 조절하여 입력 바이어스를 스위치 이하 전압으로 낮췄을 때와 포화전압 이상으로 올렸을 때의 모습도 함께 관찰해 보자.

- 바이패스 컨덴서를 추가하면 교류 전류가 R_E를 우회하여 모두 빠져나가게 되므로 에미터의 전류 제한 저항은 쓸모없어진다. 따라서 전압 증폭율이 매우 높아진다. (컨덴서는 교류 신호에 반응하므로 직류성분에는 여전히 R_E 가 유효함)

컬렉터 공통(Common Collector) 증폭회로

에미터 파로워(Emitter Follower)라고도 불리는 이 증폭회로는 베이스에 입력을 받아 에미터에 출력한다. (에미터 출력은 반전없이 베이스 입력을 따라다닌다.)

특징은,

- 에메티 공통 회로처럼 베이스를 통해 구동되므로 입력 임피던스가 높은 편이다.(장점)
- 출력 임피던스가 낮아 외부 회로를 구동하기 수월하다(장점)
- 전압 이득(증폭율=1)이 낮지만 큰 전류로 구동할 수 있어서 버퍼용으로 사용한다.

에미터 공통회로의 경우 입력신호에 가해진 바이어스 수준에 따라 왜곡이 발생하나 이 경우 증폭율이 거의 1에 가까워 입력에 대한 왜곡이 거의 없다. 기본 회로구성은 다음과 같다.

특징으로 컬렉터에 저항이 없는데 전류 제한이 없다는 뜻이기도 하다. 입력은 앞의 에미터 공통회로처럼 베이스에 넣고 출력은 에미터에서 뽑기로 한다.

- 입력과 출력의 전압 증폭이 거의없다. (버퍼로 사용됨)
- 입력과 출력의 위상이 동일하다. (에미터 공통 회로는 반전회로였다)

빵판에 회로를 꾸며 실험해 보기로 한다.

- 입력과 출력의 모습(전압 파형)이 반전 없이 거의 동일하다. (컬렉터 공통 회로의 특징: In-Phase & Unity Gain)

- 입력에 달린 가변저항-포텐쇼미터-을 돌려서 바이어스 전압 조정을 해보자. 트랜지스터 스위칭 전압 이하에서 동작을 멈추지만 포화 동작은 보이지 않는다(컬렉터에 전류 제한 저항이 없으므로 역바이어 전압으로 역전(베이스 P와 컬렉터 N)되지 않는다. 과도 입력에도 왜곡이 없다.

베이스 공통(Common Base) 증폭회로

이 회로는 흔치 않다. 고주파(RF, Radio Frequency), 초고주파 회로에 가끔 쓰인다. 입력을 에미터에 주고 출력을 컬렉터에서 뽑는다.

특징으로는,

- 입력 임피던스가 낮다. (일반적인 증폭회로로서 단점이긴 한데 고주파 회로의 경우 임피던스들이 낮기 때문에 종종 쓰인다고 함)
- 출력 임피던스가 높다.
- 에미터 공통 회로처럼 전압 증폭도가 크다. (예제 회로를 보면 컬렉터 저항과 에미터 저항이 거의 비슷함에도 불구하고.)
- 전류 증폭율이 1에 가깝다.

예제 회로를 보면 앞의 회로와는 달리 두 저항을 분압하여 베이스에 인가한 전압으로 트랜지스터를 켜놓은 상태에 있다. 베이스에 컨덴서가 달렸는데 바이패스 역활을 하여 마치 교류 성분을 접지로 빼낸다. 에미터에 주는 입력 신호에 의해 컬렉터에서 에미터로 흐르는 전류를 제어한다.

빵판에 회로를 꾸며 실험해 보자.

베이스에 바이어스를 걸어주어 트랜지스터를 항상 켜놓는다. 고정된 분압 저항 대신 10k 옴 가변저항으로 베이스 전압 V_base을 변화 시키면서 입출력의 모습을 관찰하면 아래와 같다. 첫번째 사진은 V_base 가 트랜지스터의 활성동작 점에 있는 경우다. 에미터의 입력에 증폭된 컬렉터 출력을 얻는다. 두번째 사진은 베이스 바이어스 전압을 올리면 베이스-컬렉터 사이의 전류 역전이 생겨 포화된 출력의 모습을 보인다. 세번째 사진은 바이어스 전압이 스위칭 전압 이하로 내렸을 경우다. 트랜지스터 동작이 멈췄으므로 출력이 나타나지 않는다. 입력은 작은 트랜지스터의 동작저항에 직접 영향을 받으므로 입력 임피던스가 낮다.

베이스의 바이패스 컨덴서로 교류성분을 제거하지 않을 경우 전압증폭 작용을 하지 못한다.

트랜지스터의 증폭회로를 기본 개념 수준에서 알아보고 간단한 실험을 통해 살펴봤다. 실제 증폭회로의 설계와 제작은 이보다 훨씬 복잡하다. 구체적 설계를 알고 싶다면 아래의 동영상을 참고하자.

Emitter Follower amplifier design (Common Collector amplifier design)

https://youtu.be/3j8o18hDGW4

The RF Class C amplifier - basics and simulations (1/2)

https://youtu.be/xPTJmFtaGNc

The RF Class C amplifier - basics and simulations (2/2)

https://youtu.be/gYbMpu4NoZo

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위 실험은 아래 동영상을 따라 실시하였다.

#114: Tutorial: Common Emitter, Common Collector, and Common Base Transistor amplifiers

https://youtu.be/zXh5gMc6kyU

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글을 써놓고 보니 행여 틀린게 있을까봐 걱정이 앞선다. 나름 최대한 쉽게 쓴 글이니 오류가 발견되면 기탄없는 지적을 바란다. 그리고 이런거 몰라도 아마추어 무선국 운용에 지장 없다는 점도 밝혀둔다.