13. 공통 이미터, 공통 컬렉터 회로

13. 공통 이미터, 공통 컬렉터 회로

 

가장 많이 사용되는 구조로, 이미터 단자가 입력, 출력 공통이다. 입력은 베이스(B)이고, 출력은 컬렉터(C)이다.

                                     (npn형 트랜지스터)                                       (pnp형 트랜지스터)

출력특성곡선에서 수평축은 \(V_{CE}\)(출력전압), 수직축은 \(I_{C}\)(출력전류), 매개변수는 \(I_{B}\)(입력전류, 단위: \(\mu\text{A}\))이다.

1) 활성영역: \(V_{CE}>V_{CE_{\text{sat}}}=0.2\text{V}\)이고 \(I_{B}>0\)인 영역이다.

npn트랜지스터의 경우, \(V_{BE}>0\)(순방향), \(V_{BC}<0\)(역방향)이고, 공통 이미터 구조에서 전압, 전류, 전력증폭을 얻기 위해서는 이 활성영역에서 동작해야 한다.

2) 포화영역: 

\(V_{CE}<V_{CE_{\text{sat}}}=0.2\text{V}\), 즉 \(V_{CE_{\text{sat}}}\)의 왼쪽영역이고, npn트랜지스터의 경우, \(V_{CE}=0.2\text{V}\), \(0.7\text{V}=V_{BE}=V_{BC}+V_{CE}\)이므로 \(V_{BC}=0.5\text{V}\)

3) 차단영역:

\(I_{B}=0(I_{C}=I_{CEO})\)아래 영역으로 트랜지스터가 스위치로 동작할 때, OFF가 이 영역이다. \(I_{B}=0\)일 때, 이상적인 경우는 \(I_{C}=0\)이다.

4) \(I_{B}\)와 \(I_{C}\)의 관계식(입력전류와 출력전류의 관계식)

\(\displaystyle I_{C}=I_{C_{\text{majority}}}+I_{C_{\text{minority}}}=\alpha I_{E}+I_{CO}\,\left(\alpha=\frac{I_{C_{\text{majority}}}}{I_{E}},\,I_{E}=I_{C}+I_{B}\right)\)이므로 \(I_{C}=\alpha(I_{C}+I_{B})+I_{CO}\)이고 \((1-\alpha)I_{C}=\alpha I_{B}+I_{CO}\)이고$$I_{C}=\frac{\alpha}{1-\alpha}I_{B}+\frac{1}{1-\alpha}I_{CO}$$이다.

\(\displaystyle I_{CEO}=\frac{I_{CBO}}{1-\alpha}\)는 베이스가 개방(\(I_{B}=0\mu\text{A}\))되었을 때, 컬렉터에서 이미터로 흐르는 전류이다.

입력 특성곡선

수평축은 \(V_{BE}\)(입력전압), 수직축은 \(I_{B}\)(입력전류), 매개변수는 \(V_{CE}\)(출력전압)이고, 출력전압은 특성곡선에 영향을 미치지 못한다. 이 곡선은 BJT회로의 직류해석 때 사용한다.

트랜지스터가 활성영역에서 동작하려면 \(V_{BE}=0.7\text{V}\)이어야 한다.(직류해석 시 \(V_{BE}=0.7\text{V}\)로 가정)

공통 이미터 구조의 순방향 전류증폭

1) 직류동작에서 \(\displaystyle\beta_{dc}=\frac{I_{C}}{I_{B}}\) (data sheet에는 \(h_{FE}\)로 표기, 동작점에서 계산한다)

2) 교류동작에서 \(\displaystyle\beta_{ac}=\frac{\Delta I_{C}}{\Delta I_{B}}|_{v_{CE}}\)(상수)이고(data sheet에는 \(h_{fe}\)로 표기), 구별없이 \(\beta=\beta_{ac}=\beta_{dc}\)로 사용한다.

\(\alpha\)와 \(\beta\)의 관계를 구하면

\(\displaystyle I_{E}=I_{C}+I_{B},\,\alpha=\frac{I_{C}}{I_{E}},\,\beta=\frac{I_{C}}{I_{B}}\)이므로 \(\displaystyle\frac{I_{C}}{\alpha}=I_{C}+\frac{I_{C}}{\beta}\)이고 \(\displaystyle\frac{1}{\alpha}=1+\frac{1}{\beta}\)이므로$$\alpha=\frac{\beta}{1+\beta},\,\beta=\frac{\alpha}{1-\alpha}$$이고, \(\displaystyle I_{CEO}=\frac{I_{CBO}}{1-\alpha}=(1+\beta)I_{CBO}\simeq\beta I_{CBO}\)이다.

\(I_{C}=\alpha I_{E}+I_{CBO}=\alpha I_{E}+I_{CO}\), \(I_{C}=\beta I_{B}+I_{CEO}=\beta I_{B}+(1+\beta)I_{CO}\)이고, \(I_{C}=\beta I_{B}\)이므로 \(I_{E}=I_{C}+I_{B}=\beta I_{B}+I_{B}=(\beta+1)I_{B}\)이다.

직류 바이어스를 위한 전원연결방법:

(1) 이미터의 화살표 방향에 의한 \(I_{E}\)방향 표시.

(2) \(I_{B},\,I_{C}\)방향 표시.

(3) \(I_{B},\,I_{C}\)방향과 일치하도록 전압원 \(V_{BB},\,V_{CC}\)를 각각 결정.

npn인 경우, \(V_{BC}=V_{BE}+V_{EC}=V_{BB}-V_{CE}=V_{BB}-B_{CC}<0\)(역방향)이므로 \(V_{BB}<V_{CC}\)이어야 한다.

항복영역

공통베이스 회로보다 낮은 전압에서 항복영역에 도달한다. 높은 베이스 전류에서 컬렉터 전류가 급격히 증가하고, 낮은 베이스 전류에서 컬렉터 전류가 증가하면, 전압이 감소하는 부저항 영역이 존재한다.

항복영역에서 급격한 전류의 변화가 일어나는 이유는 사태현상 때문이다.

공통 컬렉터 회로(이미터 팔로워 라고 한다.)

위 그림의 왼쪽은 pnp형, 오른쪽은 npn형이다. 입력은 베이스(B), 출력은 이미터(E), 공통은 컬렉터(C)이다. 입력 임피던스가 크고, 출력 임피던스가 작다는 특징이 있어서 임피던스 매칭에 사용된다.

공통 컬렉터 구조

컬렉터가 접지에 연결되어 있고, \(V_{BE}=0.7\text{V}\)이므로 \(V_{o}=V_{i}-0.7\approx V_{i}\)이고, 출력(이미터)전압은 입력(베이스)전압을 따른다. 그래서 이미터 팔로워라고 한다.

출력특성곡선은 공통 이미터와 동일하고, 입력특성곡선은 키르히호프 전압법칙을 사용하면(\(V_{EC}=-V_{CE},\,V_{BC}=V_{BE}+V_{EC}\)), 공통 이미터 입력특성곡선으로부터 모든 정보를 얻을 수 있다.

전류이득은 \(\beta\)로 공통 이미터의 경우와 동일하다.

참고자료:

Electronic Devices and Circuit Theory 11th edition, Boylestad, Nashelsky, Pearson