강좌14 : 트랜지스터 3 - 바이폴라 트랜지스터(BJT) 회로의 이해
트랜지스터는 가변저항이며, 바이폴라 트랜지스터는 입력전류로 조정하는 가변저항이라고 했다. (FET는 입력전압으로 조정하는 가변저항이고.) 그리고, 지난 강의까지 작동원리에 대해서 어느 정도 이야기가 되었다.
오늘은 BJT 를 이용하여 어떤 형태로 증폭회로를 설계하게 되는지 하는 기초적인 방법을 알아보도록 하자. BJT를 잘 이해하게 되면 FET 회로를 이해하기도 쉬워진다.
BJT 회로 이해하는 법
"트랜지스터 회로 = 다이오우드 회로(조정나사) + 가변저항 회로"
트랜지스터 회로는 B(베이스)-E(이미터) 사이의 다이오우드 회로와 C(컬렉터)-E(이미터) 사이의 가변저항 회로로 나누어 아래 그림 처럼 생각하는 것이 이해하는 데 매우 편하다. [여기서는, 일단 NPN형 트랜지스터를 생각한다.]
 
베이스-이미터 회로의 이해
트랜지스터가 작동할 때에는 베이스와 이미터 사이에 순방향 전압이 걸리게 되는데, 베이스와 이미터 사이의 회로만을 떼어서 생각해본다면 PN 다이오우드를 이용하는 회로와 같아진다.
그렇다면, 베이스를 입력으로 사용하는 경우에, 입력측 회로를 구성하기 위해서 는 다이오우드에 대해서 잘 알면 별 문제가 없게 된다. 결국, 많은 분들은 이 부분을 읽고 나서는 아마 다시 다이오우드 강좌를 살펴보아야 할 것이다.
트랜지스터2 강좌에서 예를 들었던 것과 같은 예를 들어보자. 우리가 베이스의 (바이어스) 전류로 80 uA(마이크로 암페어)를 항상 흐르도록 하면서 여기에 입력전류를 추가로 얹어서 그 합을 입력 신호로 삼고 싶다면, 80 uA가 입력단(베이스)으로 흘러들어가도록 아래 그림과 같이 베이스측 회로를 구성할 수 있다.
여기서, VF는 다이오우드 강좌에서 이미 공부했던 다이오우드의 "순방향 전압강하" 값이 되겠다. 트랜지스터 입장에서 다시 말하자면, 베이스-이미터 전압 VBE 이라고 한다. 우리는 앞으로 이 이름을 자주 보게 된다. 잘 기억해두자.
자, 80 uA의 바이어스 전류를 인가하기 위해서 +5V 전원을 바로 이용할 때, 저항 RB 값은 얼마가 되어야 하는지 계산해보자. 쉽게 산수를 통해서 계산이 가능하니깐...
다이오우드(실제로는 트랜지스터가 되겠다)에 따른 특성값인 순방향 전압강하 값을 VF = VBE = 0.6 이라고 하면, VBIAS = VBR + VF 이므로,
VRB = VBIAS - VF = 5 - 0.6 = 4.4 [V]
가 된다. 한편, 오옴의 법칙으로부터 VRB = iBIAS × RB 이므로,
RB = VRB ÷ iBIAS = 4.4 [V] ÷ 80 [uA] = 4.4 [V] ÷ ( 80 × 10-6 [A] ) = 55000 Ω = 55 kΩ
가 된다. 실제로는 약간의 차이가 있을 수 있으므로, 회로를 직접 구성해서 각 단의 전류, 전압 등을 측정해보면서 확인해야 한다.
컬렉터-이미터 회로의 이해
이번에는 컬렉터-이미터 측의 회로를 살펴보자. 아래 그림과 같이 트랜지스터는 가변저항으로 표현할 수 있으며, 이 경우 가변저항의 특성은 통과하여 흐르는 전류 IOUT 및 양단의 전압 VOUT으로부터 (오옴의 법칙을 써서 저항값을) 알 수 있다.
 
오른쪽 그래프는 가변저항의 값이 변함에 따라 출력 전압 및 전류가 얼마나 변하는가를 나타내고 있다. RC = 1 kΩ이라고 해보자. 가변저항의 값이 '0'일 때는 (가변저항 없이 그냥 전선으로 연결된 경우로 생각하면 되므로),
VOUT = 0 V
IOUT = +5 V ÷ RC = 5 V ÷ 1000 Ω = 0.005 A = 5 mA
로 산출할 수 있다. 반대의 경우도 알아보자. 가변저항의 값이 거의 '무한대'일 때는 (가변저항 없이 회로가 끊어진 상태로 생각하면 되므로)
VOUT = +5 V
IOUT = 0 mA
가 된다. 그 사이의 저항값을 가지는 경우에는 출력전류 및 전압은
VOUT = 5 V - VRC = 5 V - ( IOUT * RC )
또는,
IOUT = ( 5 - VOUT ) / RC
로 나타낼 수 있다. 여기서, x = VOUT, y = IOUT로 두면, 일차함수가 되며 그래프로 그리면 위의 오른쪽 그림과 같은 직선이 된다. 베이스 입력전류 값이 변하면 트랜지스터의 컬렉터-이미터 사이의 저항값이 변하면서 출력전류 및 전압값이 빨간색 선위를 움직이게 된다.
여기서 빨간 직선을 우리는 부하선 또는 로드라인(load line) 이라고 부른다. 트랜지스터 회로 설계를 위해서 우리는 부하선을 자주 이용하게 된다.
당연한 이야기인데, 결국, 트랜지스터의 저항값이 커지면 트랜지스터에 양단에 걸리는 전압( VCE = VOUT ) 은 커지게 되고, 흐르는 전류값(IC = IOUT)은 작아지게 된다는 것이다.
트랜지스터 특성과 작동의 이해
지금까지 베이스 회로와 컬렉터-이미터 회로를 나누어서 살펴봤으니, 이제 이 둘을 연결시켜 보자. 트랜지스터의 특성 곡선은 앞에서 살펴본 컬렉터-이미터 전압 VCE과 컬렉터 전류 IC 좌표 위에 아래 그림처럼 나타난다.
이 그래프는 베이스 전류가 높아지면 그에 따라서 컬렉터 전류가 높아지는 모양을 나타내고 있다. 이 특성곡선 위에 저 앞에서 보았던 부하선(load line)을 얹어 놓으면, 우리는 이 그림에서 입력 신호를 알면 출력 신호를 얻을 수 있게 된다. 바로 아래의 그림처럼...
여기서, 베이스로 입력되는 전류 신호가 녹색 곡선과 같을 때, 컬렉터 (출력) 전류는 빨간 곡선으로, 컬렉터-이미터 사이의 (출력) 전압은 파란색 곡선과 같아진다. 회색 직선은 부하선이고...
이와같이, 베이스 회로, 컬렉터-이미터 회로(부하선), 그리고 트랜지스터 특성표 등을 이용하여 트랜지스터 회로를 해석 또는 설계하게 되는 것이다.
오늘의 내용은 다소 어려울 수도 있을 것이다. 하지만, 여러번 반복해서 그려보고 생각해보면 결국 누구나 이해할 수 있는 내용들이다. 열세번째 강좌는 이것으로 마친다.
[참고] 트랜지스터 특성 곡선은 별도의 트랜지스터 특성 측정기(transistor curve tracer) 같은 것을 사용하면 쉽게 알 수 있으며, 별도의 특수한 장치가 없어도 누구나 간단하게 회로를 구성하여 알아낼 수 있다. 예들들어, 베이스 입력쪽에 가변저항을 달아두고 조금씩 조정하면 베이스 전류를 조정할 수 있으며, 컬렉터 쪽에 부하저항도 가변저항으로 달아두고 조금씩 조정하면 부하선의 위치를 좌우로 조정할 수 있다.
< 다음강좌 예고>
1. 간단한 증폭회로 설계방법
- BJT 회로의 세가지 바이어스 방법
A. 고정 바이어스 (fixed bias)
B. 자기 바이이스 (self bias)
C. 전류궤환 바이어스(current feedback bias)
2. 입력과 출력의 선택에 따른 BJT회로의 다른 이름
A. 에미터 공통 회로 (common emitter)
B. 에미터 퐐로워 (emitter follower), 컬렉터 공통 회로 (common collector)
C. 베이스 공통 회로 (common base)
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