[기초전자회로실험] 11. BJT 이미터 바이어스, 컬렉터 피드백 바이어스 회로

[기초전자회로실험] 11. BJT 이미터 바이어스, 컬렉터 피드백 바이어스 회로

1. 실험목적

BJT 이미터 바이어스와 컬렉터 피드백 바이어스 회로의 동작점을 결정한다.

2. 실험이론

이미터 바이어스 회로

위 그림의 이미터 바이어스 회로는 한개(저항 $R_{B},\,R_{C}$ 동시연결) 또는 두개의 전원(저항 $R_{B},\,R_{C}$각각)을 이용하여 나타낼 수 있다. 이 두 경우 모두 고정 바이어스보다 향상된 안정도를 제공한다. 특히 $\beta R_{E}\gg R_{B}$($\beta R_{E}$값이 $R_{B}$보다 매우 크다)이면, 이미터 전류는 BJT의 $\beta$의 영향을 받지 않는다. 따라서 $\beta R_{E}\gg R_{B}$인 이미터 바이어스 회로에서 트랜지스터를 교환한다면, $I_{C}$와 $V_{CE}$의 변화는 거의 없다.

컬렉터 피드백 회로

위 그림의 컬렉터 피드백 회로를 고정 바이어스 회로와 비교한다면, 베이스 저항 $R_{B}$이 BJT의 컬렉터 단자에 연결되어 있으므로 컬렉터 피드백 구조에서 베이스 저항에 걸리는 전압은 컬렉터 전압과 컬렉터 전류의 영향을 받는다. 특히 이 회로는 출력 변수가 증가 또는 감소하면, 입력변수가 각각 감소 또는 증가한다(피드백의 원리, $I_{C}$가 증가하면 $V_{C}$가 감소해서 증가한 $I_{C}$를 상쇄해서 $I_{B}$를 감소시킨다). 이 결과는 컬렉터 피드백 구조가 (소자 교체에 따른) 변수의 변화에 덜 민감함을 보여준다.

3. 실험

1) 실험장비 및 부품

DMM, $2.2\text{k},\,3\text{k},\,390\text{k},\,1\text{M}\Omega$저항, Q2N3904, Q2N4401 BJT(없으면 등가의 BJT), 직류전원, 

2) 실험과정

$\beta$값 결정

(1) Q2N3904 BJT를 이용하여 아래의 그림대로 회로를 구성하고, 저항값 $R_{B}=R_{B(\text{meas})},\,R_{C}=R_{C(\text{meas})},\,R_{E}=R_{E(\text{meas})}$들을 DMM으로 측정한다.

(2) 전압 $V_{B},\,V_{R_{C}}$를 측정한다.

(3) 실험 (2)의 결과와 측정한 저항값을 이용하여 베이스 전류 $I_{B}$와 컬렉터 전류 $I_{C}$를 계산한다. $$I_{B}=\frac{V_{CC}-V_{B}}{R_{B}},\,I_{C}=\frac{V_{R_{C}}}{R_{C}}$$ 계산한 전류값들을 아래의 표에 기록한다.

(4) 실험 (3)의 결과를 이용하여 $\beta$값을 계산하고 표2에 기록한다.(Q2N3904 BJT에 대해서 이 $\beta$값을 사용한다)

이미터 바이어스 회로의 동작점 결정

(1) $\beta$ 결정 실험에서 측정한 저항값, $\beta$값, 공급전압 $V_{CC}$를 이용하여 아래의 회로에 대해 $I_{B},\,I_{C}$를 계산하고, $\beta$값 측정실험의 (3)과 비교하고 이 값들을 표1에 기록한다.

(2) $\beta$ 결정 실험의 $\beta$를 이용하여 전압값 $V_{B},\,V_{C},\,V_{E},\,V_{BE},\,V_{CE}$들을 표1에 기록한다.

(3) Q2N3904로 구성된 위 회로에 전원을 인가해서 전압값 $V_{B},\,V_{C},\,V_{E},\,V_{BE},\,V_{CE}$들을 측정하고 표2에 기록하고 표1과 표2의 값들을 비교한다(편차가 큰 자료에 대해서는 설명을 할 것).

(4) 위 회로에서 Q2N3904 BJT를 2N4401 BJT로 바꾸고 전압 $V_{B},\,V_{R_{C}}$를 측정한 다음 측정한 저항값을 이용하여 전류 $I_{B},\,I_{C}$를 계산하고, 이 값들을 이용하여 $\beta$값을 계산한다(이 $\beta$값은 Q2N4401 BJT의 $\beta$값이다). 계산한 $I_{B},\,I_{C},\,\beta$를 표2에 기록한다.

(5) 실험 (4)에서 계산한 Q2N4401의 $\beta$를 이용하여 위 회로를 이론적으로 해석해 $I_{B},\,I_{C},\,V_{B}$와 $V_{C},\,V_{E},\,V_{BE},\,V_{CE}$를 계산해 표1에 기록한다.

(6) Q2N4401 BJT로 교체한 회로에 전원을 인가해서 $V_{B},\,V_{C},\,V_{E},\,V_{BE},\,V_{CE}$를 측정하고 표2에 기록한다. Q2N4401 BJT에 대해 표1과 표2의 값들을 비교한다(편차가 큰 자료에 대해서는 설명을 할 것). 

표1

BJT 종류	$V_{B}(\text{V})$	$V_{C}(\text{V})$	$V_{E}(\text{V})$	$V_{BE}(\text{V})$	$V_{CE}(\text{V})$	$I_{B}(\mu\text{A})$	$I_{C}(\text{mA})$
Q2N3904
Q2N4401

표2

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

(7) 위의 표2의 자료 $\beta,\,I_{C},\,V_{CE},\,I_{B}$에 대해 다음의 식을 적용해 변화를 계산하고 아래의 표에 기록한다(Q2N3904 BJT 기준). $$\begin{align*}\Delta\beta&=\left|\frac{\beta_{(4401)}-\beta_{(3904)}}{\beta_{(3904)}}\right|\times100\text{%}\\ \Delta I_{C}&=\left|\frac{I_{C(4401)}-I_{C(3904)}}{I_{C(3904)}}\right|\times100\text{%}\\ \Delta V_{CE}&=\left|\frac{V_{CE(4401)}-V_{CE(3904)}}{V_{CE(3904)}}\right|\times100\text{%}\\ \Delta I_{B}&=\left|\frac{I_{B(4401)}-I_{B(3904)}}{I_{B(3904)}}\right|\times100\text{%}\end{align*}$$

$\Delta\beta$	$\Delta I_{C}$	$\Delta V_{CE}$	$\Delta I_{B}$

컬렉터 피드백 구조

(1) Q2N3904 BJT를 이용하여 아래의 그림대로 회로를 구성하고, 저항값 $R_{B}=R_{B(\text{meas})},\,R_{C}=R_{C(\text{meas})},\,R_{E}=R_{E(\text{meas})}$들을 DMM으로 측정한다.

(2) $\beta$값 결정 실험에서 구한 $\beta$값을 이용하여 $I_{B},\,I_{C},\,I_{E},\,V_{B},\,V_{C},\,V_{E},\,V_{CE}$를 계산하고 표3에 기록한다.

(3) 위 회로에 전원을 인가해 $V_{B},\,V_{C},\,V_{E},\,V_{CE}$를 측정하고, 이 측정한 값들과 측정한 저항값을 이용해 $I_{B},\,I_{C},\,I_{E}$를 계산하여 표4에 기록한다. 실험 (2)의 값들과 비교한다.

(4) 위 회로의 BJT를 Q2N4401 BJT로 교체한 다음 앞의 실험(이미터 바이어스 회로의 동작점 결정)에서 구한 Q2N4401 BJT의 $\beta$값을 이용하여 $I_{B},\,I_{C},\,I_{E},\,V_{B},\,V_{C},\,V_{E},\,V_{CE}$의 값들을 계산하고 표 3에 기록한다.

(5) Q2N4401 BJT로 구성된 위 회로에 전원을 인가해 $V_{B},\,V_{C},\,V_{E},\,V_{CE}$를 측정하고, 이 측정한 값들과 측정한 저항값을 이용해 $I_{B},\,I_{C},\,I_{E}$를 계산하여 4에 기록한다. 실험 (4)의 값들과 비교한다.

표3

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

표4

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

(6) 표 (4)의 자료 $I_{C},\,V_{CE},\,I_{B}$와 $\beta$에 대해 다음의 식을 적용해 변화를 계산하고 아래의 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 이미터 바이어스 회로와 컬렉터 피드백 바이어스 회로의 해석)

-BJT 이미터 바이어스 회로

(해석 전)

(해석 후. 왼쪽: Q2N3904, 오른쪽: Q2N2222)

-BJT 컬렉터 피드백 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.pcbheaven.com/wikipages/Transistor_theory/?p=2