[아날로그전자회로실험] 8. 전류원, 전류거울회로

[아날로그전자회로실험] 8. 전류원, 전류거울회로

1. 실험목적

전류원과 전류거울회로의 직류전압 및 직류전류를 계산하고 측정한다.

2. 실험이론

전류원과 전류거울회로는 대부분의 선형 집적회로(IC)에서 필수적으로 사용된다. 일반적으로 실리콘에 대다수의 소자를 집적하여 만든 집적회로를 만들 때, 칩의 면적을 많이 차지하는 저항과 커패시터의 사용을 피해야 하는데 트랜지스터(BJT, FET)는 저항, 커패시터에 비해 부피가 작아서 작은 칩으로 만들 수 있어서 경제적이여서 트랜지스터를 많이 사용한다. 또한 정전류원은 출력저항이 커서 부하저항 대용으로 (능동부하로)사용되며 부피가 작고, 큰 전압이득을 얻을 수 있다.

활성영역에서 동작하는 BJT의 베이스 전류가 일정하면, 컬렉터-이미터 간 전압 \(V_{CE}\)의 변화에 관계없이 컬렉터 전류가 일정해서 제한된 전압범위에서 정전류원으로 사용할 수 있고, 포화영역에서 동작하는 MOSFET의 게이트 전압이 일정하면, 드레인-소스 전압 \(V_{DS}\)의 변화에 관계없이 드레인 전류가 일정해서 제한된 전압범위에서 정전류원으로 사용할 수 있다.

BJT 정전류원:

위의 회로는 BJT를 이용한 정전류원 회로이고, 근사방법을 사용할 수 있다(\(\beta R_{E}\gg R_{1},\,R_{2}\))고 하면$$V_{B}=\frac{R_{1}}{R_{1}+R_{2}}(-V_{EE}),\,V_{E}=V_{B}-0.7$$이 상수이므로$$I_{E}=\frac{V_{E}+V_{EE}}{R_{E}}=I_{C}$$도 상수(일정한 전류)이다.

BJT 전류거울 회로

전류거울 회로는 한 쪽의 트랜지스터의 전류를 조절해서 부하에 흐르는 전류를 결정하고, 이때 트랜지스터는 특성이 동일해야 한다.

위의 회로는 BJT를 이용한 전류거울회로이고, 이때 트랜지스터 \(Q_{1},\,Q_{2}\)의 특성은 같다. 그러면 \(V_{BE_{1}}=V_{BE_{2}}\)이고, \(Q_{2}\)의 컬렉터 전류가 항상 일정하므로 정전류원이다. 또한$$I_{\text{control}}=I_{C_{1}}+I_{B}=I_{C_{1}}+2I_{B_{1}}=\beta_{1} I_{B_{1}}+2I_{B_{1}}=(\beta_{1}+2)I_{B_{1}}\approx\beta_{1}I_{B_{1}}=\beta_{2}I_{B_{2}}=I_{L}$$이다.

부하전류 \(I_{L}\)이 증가하면, 연쇄작용이 일어나 원래의 값으로 돌아온다.

3. 실험

1) 실험장비 및 부품

오실로스코프, DMM, 함수발생기, 직류전원, \(20,\,51,\,82,\,100,\,150,\,1.2\text{k},\,3.6\text{k},\,4.3\text{k},\,5.1\text{k},\,7.5\text{k},\,10\text{k}\Omega\)저항 각 1개, Q2N3904 npn형 BJT(또는 등가의 BJT) 3개, J2N3823 n채널 JFET 1개.

2) 실험과정

JFET 전류원

다음 그림대로 회로를 구성하여 저항 \(R_{L}=20,\,51,\,82,\,100,\,150\Omega\)저항에 대해

DMM을 이용하여 드레인-소스 전압 \(V_{DS}\)를 측정하고, 식 \(\displaystyle I_{R_{L}}=\frac{10\text{V}-V_{DS}}{R_{L}}\)을 이용하여 부하전류 \(I_{R_{L}}\)의 값을 계산한다. 측정한 \(V_{DS}\)의 값과, 계산한 \(I_{R_{L}}\)의 값을 각 저항에 대해 기록한다.

BJT 전류원

다음 그림대로 회로를 구성하여 저항 \(R_{L}=3.6\text{k},\,4.3\text{k},\,5.1\text{k},\,7.5\text{k}\Omega\)저항에 대해

식 \(\displaystyle I_{R_{L}}=\frac{10\text{V}-V_{CE}}{R_{L}}\)을 이용하여 부하전류 \(I_{R_{L}}\)을 계산하고, DMM을 이용하여 \(V_{E},\,V_{C}\)를 측정하고, 식 \(I_{E}=\frac{10\text{V}+V_{E}}{R_{E}}\)를 이용하여 이미터 전류 \(I_{E}\)를 계산한다. 측정한 \(V_{C},\,V_{E}\)의 값과 계산한 \(I_{R_{L}},\,I_{E}\)의 값을 기록한다.

전류거울회로

다음 그림대로 회로를 구성하고 \(R_{L}=1.2\text{k},\,3.6\text{k}\Omega\)저항에 대해

DMM을 이용하여 \(Q_{1}\)의 베이스 단자전압 \(V_{B_{1}}\), \(Q_{2}\)의 컬렉터 단자전압 \(V_{C_{2}}\)를 측정하고, 식$$I_{x}=\frac{10\text{V}-V_{B_{1}}}{R_{x}},\,I_{R_{L}}=\frac{10\text{V}-V_{C_{2}}}{R_{L}}$$을 이용하여 \(I_{x},\,I_{R_{L}}\)을 계산한다. 측정한 \(V_{B_{1}},\,V_{C_{2}}\)의 값과 계산한 \(I_{x},\,I_{R_{L}}\)의 값을 기록한다.

Pspice 시뮬레이션

부하저항이 \(R_{L}=1.2\text{k}\Omega\)일 때,

저항 \(R_{x}\)에 흐르는 전류는 \(0.934\text{mA}\)이고, 부하저항 \(R_{L}\)에 흐르는 전류는 \(1.020\text{mA}\)이다.

부하저항이 \(R_{L}=3.6\text{k}\Omega\)일 때,

저항 \(R_{x}\)에 흐르는 전류는 \(0.934\text{mA}\)이고, 부하저항 \(R_{L}\)에 흐르는 전류는 \(0.991\text{mA}\)이다.

 

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://mece347.cankaya.edu.tr/uploads/files/lab11.pdf

http://web.yonsei.ac.kr/hgjung/Lectures/ENE301/7-A%20%EC%A0%84%EB%A5%98%EA%B1%B0%EC%9A%B8.pdf