[전자회로 실험#7] 트랜지스터(BJT)의 동작점 Q 구하기

 

트랜지스터를 증폭기, 스위치로 사용하기 위해서는 조건에 맞는 바이어스(직류 전원)이 필요하다. 바이어스 방법에는 전원과 저항의 연결 방법에 따라 네 가지로 구분할 수 있고 이에 따른 특성에 조금 차이가 있다.

 

바이어스를 통해 트랜지스터를 요구되는 영역에서 사용하기 위해서는 동작점을 찾는게 중요하며 동작점은 바이어스에 따라 트랜지스터가 동작하는 지점을 나타내며 정지점(Quescent Point, Q점)이라고 부른다.

 

적절한 동작점을 설정하는 것은 증폭기를 원하는 영역에서 동작시키기 위함인데, 아래 그림에서와 같이 포화 영역에 가까운 동작점에서 교류신호를 증폭하게 되면 출력의 모양이 일그러지기 때문이다.

 

 

다음과 같은 회로의 동작점을 찾아보자.

고정 바이어스 회로

바이어스 회로에는 여러가지 종류가 있으며 위 회로는 고정 바이어스 회로로, $V_{CC}$가 베이스 저항$R_{B}$에 직접 연결되어 있다. 위 바이어스 회로의 출력 특성 그래프는 다음과 같다. 10개의 곡선 중 가장 위에서부터 $V_{BB}$가 10, 9, 8, 마지막으로 1일 때의 곡선이다.

 

그래프에 직류 부하선을 그려 동작점을 찾을 수 있는데, 직류 부하선이란 회로의 차단점과 포화점을 이은 선이다.

먼저 차단점에서는 트랜지스터는 스위치가 열린, OFF된 상태로 동작한다.

따라서 $I_{C} = 0[A]$이므로

$V_{CE} = V_{CC}$

위 회로에서

$V_{CC} = 10[V]$이므로

$V_{CE} = 10[V]$

위 출력 그래프에서 $V_{CE} = 10[V], I_{C} = 0$인 지점이 바로 차단점이 된다.

 

다음으로 포화점에서는 트랜지스터가 스위치가 닫힌, ON된 상태로 동작한다. 

따라서 $V_{CE} = 0$이므로

$I_{C} = \frac{V_{CC} - V_{C}}{R_{C}}$

$V_{CC} = 10, R_{C} = 500[ \Omega ]$이고,

$V_{CE} = 0$ 이고 $V_{E} = 0$이기에

$V_{C}$ 또한 0이 된다.

따라서 $I_{C} = \frac{10 - 0}{500} = 20[mA]$

위 출력 그래프에서 $I_{C} = 20[mA], V_{CE} = 0$인 지점이 포화점이 된다.

 

차단점과 포화점을 구한 뒤, 두 점을 이어보면 다음과 같은 직선을 얻을 수 있다.

이제 직선과 만나는 점이 바로 동작점이 되는데 10개의 곡선 중 위 회로는 베이스 저항$R_{B}$에 $V_{CC} = 10[V]$가 연결되어 있으므로 $V_{BB} = 10[V]$일 때, 즉 제일 위의 곡선과 만나는 점이 동작점이다.

이때 그래프 상에서 $I_{C}, V_{CE}$를 대략적으로 구해보면 각각 $I_{C} = 13.xx[mA], V_{CE} = 3.xx[V]$임을 확인할 수 있다.

 

만약 트랜지스터의 증폭률, $\beta$값을 알고 있는 경우, 바로 동작점을 구할 수 있다.

$\beta = 148$인 경우, 회로에서 베이스 전류를 먼저 구해보면

$I_{B} = \frac{V_{CC} - V_{B}}{R_{B}} = \frac{10-0.7}{100k} = 93[\mu A]$

$$I_{C} = \beta I_{B}$$ $\beta = 148$이라 가정하면 $$I_{C} = 13.764[mA]$$

이 때, $V_{CE} = V_{CC} - I_{C}R_{C} = 10 - 13.764\times 10^{-3}\times 500 = 6.882[V]$

따라서 1편에서 구했던 직류부하선을 이용해 찾은 동작점의 값과 거의 같음을 확인할 수 있다.

 

마지막으로, 프로그램으로 시뮬레이션을 통해 실제 두 방법으로 구한 것과 비교해본다.

 

회로를 작성한 후,

[PSpice - New Simulation frofile]에서 프로필을 작성한 뒤,

 

 

Analysis Type을 Bias Point로 변경하여 적용한 뒤,

 

 

 

 

위의 두 개 전압, 전류 표시를 활성화하여 시뮬레이션을 실행한다.

 

 

실행 결과는 위와 같고 앞서 구했던 것과 유사한 결과를 확인할 수 있다.

 

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