16. 이미터 바이어스 회로

16. 이미터 바이어스 회로

아래의 회로는 고정 바이어스 회로에서 이미터에 저항 $R_{E}$를 연결한 회로로 바이어스를 안정시킨다. 

위의 회로를 이미터 바이어스 회로라고 하고, 고정 바이어스보다 더 좋은 바이어스 안정도를 제공한다.

a) 입력회로($I_{B}$ 계산)

$V_{CC}=I_{B}R_{B}+V_{BE}+I_{E}R_{E}$, $I_{E}=I_{C}+I_{B}=(1+\beta)I_{B}\,(I_{C}=\beta I_{B})$이므로

$V_{CC}-V_{BE}=I_{B}R_{B}+I_{E}R_{E}=I_{B}R_{B}+(1+\beta)I_{B}R_{E}$이고, $\displaystyle I_{B}=\frac{V_{CC}-V_{Be}}{R_{B}+(1+\beta)R_{E}}$이다.

여기서 $R_{E}=0$이면, 고정 바이어스와 동일하다. 

참고:

위의 그림에서 $R_{i}$는 베이스에서 바라본 저항으로, 값은 $R_{i}=(1+\beta)R_{E}$이고, 이미터 저항 $R_{E}$가 베이스에서 볼 때, $(1+\beta)$배만큼 커보인다는 것을 뜻한다. 그 이유는 $\displaystyle R_{i}=\frac{V_{E}}{I_{B}}=\frac{(1+\beta)I_{B}R_{E}}{I_{B}}=(1+\beta)R_{E}$이기 때문이다.

b) 출력회로($I_{C},\,V_{CE}$ 계산) 

$I_{C}=\beta I_{B},\,I_{C}\approx I_{E}$이고 $V_{CC}=I_{C}R_{C}+V_{CE}+I_{E}R_{E}$이므로 $V_{CE}=V_{CC}-I_{C}(R_{C}+R_{E})$

또는 $V_{E}=I_{E}R_{E}\approx I_{C}R_{E}$, $V_{C}=V_{CC}-I_{C}R_{C},\,V_{CE}=V_{C}-V_{E}$, $V_{B}=V_{CC}-I_{B}R_{B}=V_{BE}+V_{E}$

c) 바이어스 안정도 향상

$V_{CC}$, $T$(온도), $\beta$변화에 대하여 직류바이어스 전류, 전압($I_{C}\,V_{CE}$)이 거의 변화가 없는 것이 바이어스 안정도가 높다.

위의 이미터 바이어스 회로에서 $$\begin{align*}I_{B}&=\frac{V_{CC}-V_{BE}}{R_{B}+(1+\beta)R_{E}}=\frac{20\text{V}-0.7\text{V}}{430\text{k}\Omega+51\cdot(1\text{k}\Omega)}=\frac{19.3\text{V}}{481\text{k}\Omega}=40.1\mu\text{A}\\ I_{C}&=\beta I_{B}=50(40.1\mu\text{A})\approx2.01\text{mA}\\V_{CE}&=V_{CC}-I_{C}(R_{C}+R_{E})=20\text{V}-(2.01\text{mA})(2\text{k}\Omega)=20\text{V}-4.02\text{V}=15.98\text{V}\\V_{E}&=V_{C}-V_{CE}=15.98\text{V}-13.97\text{V}=2.01\text{V}\\V_{B}&=V_{BE}+V_{E}=0.7\text{V}+2.01\text{V}=2.71\text{V}\\V_{BC}&=V_{B}-V_{C}=2.71\text{V}-15.98\text{V}=-13.27\text{V}\end{align*}$$ 이다. 

다음 표는 고정 바이어스 회로 예제(여기 클릭)를 $\beta=50$과 $\beta=100$인 경우의 $I_{B},\,I_{C},\,V_{CE}$의 값을 나타낸 것이다.

$\beta$	$I_{B}(\mu\text{A})$	$I_{C}(\text{mA})$	$V_{CE}(\text{V})$
50	47.08	2.35	6.83
100	47.08	3.63	9.11

이므로 $I_{B}$는 거의 그대로이고, $V_{CE}$는 76% 감소했다.

다음 표는 앞의 이미터 바이어스 회로 예제를 $\beta=50$과 $\beta=100$인 경우의 $I_{B},\,I_{C},\,V_{CE}$의 값을 나타낸 것이다. 

$\beta$	$I_{B}(\mu\text{A})$	$I_{C}(\text{mA})$	$V_{CE}(\text{V})$
50	40.1	2.01	13.97
100	36.3	3.63	9.11

$I_{C}$는 81% 증가하고(I_{B}는 감소), $V_{CE}$는 35% 감소했다. 그러므로 이 이미터 바이어스 회로는 전의 고정 바이어스 회로보다 안정적인 회로이다.

앞 예제의 이미터 바이어스 회로에 교류신호가 인가되었을 때, 그 신호는 이미터 저항 $R_{E}$가 아니라 커패시터 $C_{E}$를 통해서 흐른다. 교류에서는 $f=\infty$이므로 $C_{E}$를 바이패스 커패시터라고 한다.(교류신호를 바이패스시킴)

d) 포화레벨

포화되었을 때의 컬렉터 전류는 $\displaystyle I_{C_{\text{sat}}}=\frac{V_{CC}-V_{CE_{\text{sat}}}}{R_{C}+R_{E}}\simeq\frac{V_{CC}}{R_{C}+R_{E}}$이고, $I_{C}=\beta I_{B}>I_{C_{\text{sat}}}$일 때, 트랜지스터는 포화영역에서 동작하고, $V_{CE}=0.2\text{V}$, $\displaystyle I_{C}=I_{C_{\text{sat}}}=\frac{V_{CC}}{R_{C}+R_{E}}$이다.

e) 부하선 해석: 이미터 바이어스 회로

직류 부하선

$V_{CE}=V_{CC}-I_{C}(R_{C}+R_{E})$이므로 $\displaystyle I_{C}=-\frac{V_{CE}}{R_{C}+R_{E}}+\frac{V_{CC}}{R_{C}+R_{E}}$이다.

위의 오른쪽 특성곡선에서 $V_{CE}=0$일 때, $\displaystyle I_{C}=\frac{V_{CC}}{R_{C}+R_{E}}=\frac{18\text{V}}{2.2\text{k}\Omega+1.1\text{k}\Omega}=\frac{18\text{V}}{3.3\text{k}\Omega}=5.45\text{mA}$이고, $I_{C}=0$일 때, $V_{CE}=V_{CC}=18\text{V}$이다.

특성곡선에서 $I_{B}=15\mu\text{A}$일 때, $V_{CE_{Q}}\approx7.5\text{V}$, $I_{C_{Q}}\approx3.3\text{mA}$이고, $\displaystyle\beta=\frac{I_{C_{Q}}}{I_{B_{Q}}}=\frac{3.3\text{mA}}{15\mu\text{A}}=220$이므로 $$I_{B}=\frac{V_{CC}-V_{BE}}{R_{B}+(1+\beta)R_{E}}=\frac{18\text{V}-0.7\text{V}}{R_{B}+221(1.1\text{k}\Omega)}=\frac{17.3\text{V}}{R_{B}+243.1\text{k}\Omega}=15\mu\text{A}$$ 이고 $$(15\mu\text{A})R_{B}+(15\mu\text{A})(243.1\text{k}\Omega)=17.3\text{V}$$ 이므로 $$R_{B}=\frac{17.3\text{V}-3.65\text{V}}{15\mu\text{A}}=\frac{13.65\text{V}}{15\mu\text{A}}=910\text{k}\Omega$$ 이다.

참고자료:

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