[기초전자회로실험] 10. BJT 고정 바이어스, 전압분배기 바이어스 회로

[기초전자회로실험] 10. BJT 고정 바이어스, 전압분배기 바이어스 회로

1. 실험목적

BJT 고정 바이어스 회로와 전압분배기 바이어스 회로의 동작점을 결정한다.

2. 실험이론

BJT(쌍극성 접합 트랜지스터)는 차단(Cutoff), 포화(Saturation), 선형(Active)의 3가지 영역에서 동작한다.(아래 그림 참고)

각 모드에서 트랜지스터의 고유 특성과 외부로 연결된 회로에 의해 트랜지스터의 동작점이 유일하게 결정된다. 

BJT는 차단 모드에서 거의 개방 스위치로 동작하고, 이미터에서 컬렉터로 작은 양의 역방향 전류가 흐른다. 포화 모드에서는 컬렉터에서 이미터로 최대 전류가 흐르고, 단락 스위치(닫힌 스위치)처럼 동작하는데 이때 흐르는 전류량은 트랜지스터에 연결된 외부 회로에 의해 제한된다. 앞에서 언급했던 차단, 포화 모드는 디지털 회로(논리 회로)에 사용된다.

최소 왜곡으로 입력 신호를 증폭시키기 위해서는 BJT 특성곡선의 선형 영역을 이용한다. 이때 BJT에 직류 전압을 인가하여 베이스(B)-이미터(E) 접합을 순방향 바이어스 시키고, 베이스(B)-컬렉터(C) 접합을 역방향 바이어스 시켜서 동작점을 선형 영역의 거의 중간에 위치하게 한다.(중간이 가장 좋은 위치이다.)

이 실험에서는 BJT 고정 바이어스 회로와 전압 분배기 바이어스 회로에 대해 실험하고자 한다. 고정 바이어스 회로의 단점은 동작점 위치가 \(\displaystyle\beta=\frac{I_{C}}{I_{B}}\)와 온도에 매우 민감하다는 점이다(소자의 \(\beta\)와 온도는 넓은 범위로 변한다). 때문에 고정 바이어스 구조에서 부하선 상의 동작점 위치를 정확하게 구하기가 어렵다. 반면 전압분배기 바이어스 회로는 귀환 배열을 적용하여 베이스(B)-이미터(E)와 컬렉터(C)-이미터(E) 전압 \(V_{BE},\,V_{CE}\)가 \(\beta\)가 아닌 외부 회로 소자에 의존한다. 그러므로 전압 분배기 바이어스 회로의 \(\beta\)가 변하더라도 동작점은 거의 그대로이다. 이러한 구조를 \(\beta\)에 무관한 바이어스 구조라고 한다.

3. 실험

1) 실험장비 및 부품

DMM, \(680,\,1.8\text{k},\,2.7\text{k},\,6.8\text{k},\,33\text{k},\,1\text{M}\Omega\)저항, Q2N3904 BJT(없으면 등가 BJT), Q2N4401 BJT(없으면 등가 BJT), 직류전원.

2) 실험과정

\(\beta\)의 결정

(1) Q2N3904 BJT를 이용하여 다음 회로를 구성하고, DMM을 이용하여 저항 \(R_{B}=R_{B(\text{meas})},\,R_{C}=R_{C(\text{meas})}\)의 값을 측정한다.

(2) 전압 \(V_{BE}\)와 \(V_{R_{C}}\)를 측정한다.

(3) 측정한 저항값을 이용하여 베이스 전류 \(I_{B}\)와 컬렉터 전류 \(I_{C}\)를 계산하고 아래의 표에 기록한다.$$\begin{align*}I_{B}&=\frac{V_{R_{B}}}{R_{B}}=\frac{V_{CC}-V_{BE}}{R_{B}}\\I_{C}&=\frac{V_{R_{C}}}{R_{C}}\end{align*}$$(높은 저항 \(R_{B}\) 양단에 측정기를 연결하면 부하 효과를 나타내기 때문에 전압 \(V_{R_{B}}\)를 직접 측정하지 않았다)

(4) 실험 (3)의 결과를 이용하여 \(\beta\)값을 계산하고 아래의 표에 기록한다.(Q2N3904 트랜지스터의 \(\beta\)값은 \(\displaystyle\beta=\frac{I_{C}}{I_{B}}\)이다)

고정 바이어스 회로

(1) \(\beta\)의 결정 실험에서 구한 \(\beta\)와 측정한 저항값, 공급전압 \(V_{CC}\), 측정한 \(V_{BE}\)를 이용하여 아래의 회로(위 \(\beta\)의 결정에서의 회로와 같은 회로)에 대하여 전류 \(I_{B}\)와 \(I_{C}\)를 계산한다.$$I_{B}=\frac{V_{CC}-V_{BE}}{R_{B}},\,I_{C}=\beta I_{B}$$이때 \(\beta\)의 결정 과정에서 구한 \(I_{B}\)와 \(I_{C}\)와 비교한다.

(2) 실험 (1)의 결과를 이용하여 \(V_{B},\,V_{C},\,V_{E},\,V_{CE}\)의 값을 구한다.

(3) 아래 그림의 회로에 전원을 인가하고 \(V_{B},\,V_{C},\,V_{E},\,V_{CE}\)를 측정한다. 측정값을 실험 (2)의 값들과 비교하고, \(V_{CE}\)값을 아래의 표에 기록한다.

(4) 다음 실험 순서는 \(\beta\)의 영향을 확인하기 위해 높은 \(\beta\)값을 갖는 BJT에 대하여 위의 실험(\(\beta\)의 결정 포함)을 반복하려고 한다. 위 그림의 회로에서 Q2N3904 BJT를 제거하고, 그 자리에 Q2N4401 BJT를 연결한다. 그 다음 \(V_{BE}\)와 \(V_{R_{C}}\)를 측정하고, 측정한 저항값을 이용하여 \(I_{B},\,I_{C}\)를 계산해서 Q2N4401 BJT의 \(\beta\)값을 결정한다. 아래의 표에 \(I_{B},\,I_{C},\,\beta\)값을 기록하고, 전압 \(V_{CE}\) 또한 측정하고 기록한다.

트랜지스터(BJT) 종류	\(V_{CE}\,(\text{V})\)	\(I_{C}\,(\text{mA})\)	\(I_{B}\,(\mu\text{A})\)	\(\beta\)
Q2N3904
Q2N4401

(5) 위 표의 자료들을 이용하여 트랜지스터의 교체에 따른 각 양의 상대변화량을 다음 식을 이용하여 계산하고 밑의 표에 기록한다(Q2N3904 BJT 기준).$$\begin{align*}\Delta\beta&=\left|\frac{\beta_{(4401)}-\beta_{(3904)}}{\beta_{(3904)}}\right|\times100\text{%}\\ \Delta I_{C}&=\left|\frac{I_{C(4401)}-I_{C(3904)}}{I_{C(3904)}}\right|\times100\text{%}\\ \Delta V_{CE}&=\left|\frac{V_{CE(4401)}-V_{CE(3904)}}{V_{CE(3904)}}\right|\times100\text{%}\\ \Delta I_{B}&=\left|\frac{I_{B(4401)}-I_{B(3904)}}{I_{B(3904)}}\right|\times100\text{%}\end{align*}$$

\(\Delta\beta\)	\(\Delta I_{C}\)	\(\Delta V_{CE}\)	\(\Delta I_{B}\)

전압분배기 바이어스 회로

(1) Q2N3904 트랜지스터를 이용하여 아래의 그림과 같이 회로를 구성하고 저항 \(R_{1}=R_{1(\text{meas})},\,R_{2}=R_{2(\text{meas})},\,R_{3}=R_{3(\text{meas})},\,R_{4}=R_{4(\text{meas})}\)의 값을 DMM으로 측정한다.

'\(\beta\)의 결정' 실험에서 구한 Q2N3904 BJT의 \(\beta\)값을 이용하여 위 회로에서 \(V_{B},\,V_{E},\,I_{E},\,I_{C},\,V_{C},\,V_{CE},\,I_{B}\)의 이론적인 값을 계산하고 아래의 표에 결과를 기록한다.

(3) 위 회로에 전압을 인가하고, \(V_{B},\,V_{E},\,V_{C},\,V_{CE}\)를 측정해서 아래의 표에 값들을 기록하고 부수적으로 전압 \(V_{R_{1}},\,V_{R_{2}}\)를 측정한다. (정확한 베이스 전류 \(I_{B}\)의 측정을 위해)가능한 전압을 \(0.01\) 또는 \(0.001\)자리까지 측정한다. 측정한 전압과 저항으로부터 \(I_{E},\,I_{C}\)를 계산하고 옴의 법칙 \(\displaystyle I_{1}=\frac{V_{R_{1}}}{R_{1}},\,I_{2}=\frac{V_{R_{2}}}{R_{2}}\)를 이용하여 \(I_{1},\,I_{2}\)를 계산한다. 키르히호프 전류법칙을 이용하여 \(I_{1},\,I_{2}\)로부터 베이스 전류 \(I_{B}(=I_{1}-I_{2})\)를 계산하고 아래의 표에 계산된 전류값 \(I_{E},\,I_{C},\,I_{B}\)를 기록한다.

2N3904	\(V_{B}(\text{V})\)	\(V_{E}(\text{V})\)	\(V_{C}(\text{V})\)	\(V_{CE}(\text{V})\)	\(I_{E}(\text{mA})\)	\(I_{C}(\text{mA})\)	\(I_{B}(\mu\text{A})\)
계산값 (실험(2))
측정값 (실험(3))

또한 위 표에서 계산값과 측정값을 비교한다.

(4) '\(\beta\)의 측정'에서 측정한 Q2N3904의 \(\beta\)와 실험 (3)에서 측정한 \(V_{CE}\)와 계산한 \(I_{C},\,I_{B}\)를 아래의 표에 기록한다.

(5) 이 실험의 회로에서 Q2N3904 BJT를 제거하고, Q2N4401 BJT를 연결한 다음 전압 \(V_{CE},\,V_{R_{C}},\,V_{R_{1}},\,V_{R_{2}}\)를 측정하고, \(I_{B}\)의 정확한 측정을 위해 \(V_{R_{1}}\)과 \(V_{R_{2}}\)를 \(0.01\) 또는 \(0.001\) 자리까지 측정한다. \(I_{C},\,I_{1},\,I_{2}\)를 계산하고 키르히호프 전류법칙을 이용하여 \(I_{B}\)를 결정한다. 여기서 구한 \(V_{CE},\,I_{C},\,I_{B}\)와 Q2N4401 BJT의 \(\beta\)값을 아래의 표에 기록한다.

트랜지스터(BJT) 종류	\(V_{CE}(\text{V})\)	\(I_{C}(\text{mA})\)	\(I_{B}(\mu\text{A})\)	\(\beta\)
Q2N3904
Q2N4401

(5) 위 표의 자료들을 이용하여 트랜지스터의 교체에 따른 각 양의 상대변화량을 다음 식을 이용하여 계산하고 밑의 표에 기록한다(Q2N3904 BJT 기준).$$\begin{align*}\Delta\beta&=\left|\frac{\beta_{(4401)}-\beta_{(3904)}}{\beta_{(3904)}}\right|\times100\text{%}\\ \Delta I_{C}&=\left|\frac{I_{C(4401)}-I_{C(3904)}}{I_{C(3904)}}\right|\times100\text{%}\\ \Delta V_{CE}&=\left|\frac{V_{CE(4401)}-V_{CE(3904)}}{V_{CE(3904)}}\right|\times100\text{%}\\ \Delta I_{B}&=\left|\frac{I_{B(4401)}-I_{B(3904)}}{I_{B(3904)}}\right|\times100\text{%}\end{align*}$$

\(\Delta\beta\)	\(\Delta I_{C}\)	\(\Delta V_{CE}\)	\(\Delta I_{B}\)

(Pspice를 이용한 BJT 고정 바이어스 회로와 전압분배기 바이어스 회로의 해석)

-BJT 고정 바이어스 회로

(해석 전)

(해석 후. 왼쪽: Q2N3904, 오른쪽: Q2N2222)

-BJT 전압분배기 바이어스 회로

(해석 전)

(해석 후. 왼쪽: Q2N3904, 오른쪽: Q2N2222)

참고자료:

Laboratory Manual to accompany Electronic Devices and Circuit Theory 11th edition, Boylestad, Nashelsky, Monssen, Pearson

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

http://www.tep.engr.tu.ac.th/files/Class_Material/2_2015/LE241/6%20chapter%205.pdf

http://akademik.bahcesehir.edu.tr/eee/wp-content/uploads/expWeek6.pdf