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2012.03.29 13:41

TRANSISTOR는 크게 BJT와 FET로 나눌 수 있다.

하지만 우리가 업무중에 'transistor'라고 하면 거의 BJT를 지칭하며 'FET'라고 하면 MOSFET이나
JFET등을 지칭한다.

이전 포스트에선 BJT를 한 개 선정하여 특성을 살펴보고 선정된 BJT로 어떻게 회로를 설계해야 하는지
알아보았다.

이번 포스트에선 BJT로 설계된 회로에 적절한 부품값을 넣어서 프로젝트를 마무리 하도록 한다.
☞ BJT의 동작원리와 특징 및 활용 - ①
☞ BJT의 동작원리와 특징 및 활용 - ②

참고로 MOSFET에 대한 내용은 이전 포스트를 참고하자.
☞ MOSFET의 동작원리와 특징 및 활용 - ①
☞ MOSFET의 동작원리와 특징 및 활용 - ②

1. 설계를 위해 필요한 값들
VC(아래 그림의 초록색 화살표 점선)는 증폭된 마이크 신호로써 우리가 최종적으로 얻고자 하는
마이크의 출력 신호인 Vout
이다.
VC는 12V에서 VRC를 빼면 얻을 수 있다.

VRC는 저항 RC에 걸리는 전압이며 RC에 흐르는 전류인 IC(아래 그림의 초록 화살표)를 이용해서
Ic*Rc로 얻는다.

VRC=IC*RC에서 Ic는 저항 Re에 흐르는 전류인 Ie와 같다.

Ie(아래 그림의 초록색 화살표)는 2N3904의 emitter에 흐르는 전류로써 2N3904의 emitter와 GND사이에
걸리는 전압인 VRE를 저항 Re로 나눈 VRE/Re에서 얻을 수 있다.

VRE(아래 그림의 초록색 화살표 점선)는 다음의 차로 구할 수 있다.
- 2N3904의 base에 걸리는 전압인 VB
- 2N3904의 base와 emitter간의 포화 전압인 0.7V

즉 VB-0.7V로 얻는다.

결론적으로 VB를 알면 VRE를 알 수 있고
VRE를 알면 Re를 선정해서 Ie를 알 수 있고
Ie를 알면 IC를 알 수 있고
IC를 알면 RC를 선정해서 VRC를 알 수 있고
VRC를 알면 12V에서 VRC를 빼서 우리가 원하는 VC=Vout 알아낼 수 있게된다.

마치 도미노가 쓰러지는것 처럼 VB를 쓰러뜨리면 주루루루룩 2N3904를 통해 Vout이 얻어지게 된다.

2. 최종 회로도
RC를 10KΩ로, Re를 100Ω으로 선정하여 다음과 같이 회로를 설계 하였다.

이 회로가 제대로 동작하는지 확인 해 보자

STEP1.
  Vin으로 10mVpk-pk의 마이크 신호가 입력

STEP2.
  마이크 신호가 C1을 거치면서 GND를 기준으로 10mVpk-pk의 AC성분만 남음

STEP3.
  C1을 통과한 전압은 최소 -5mV, 최대 5mV의 전압 범위를 가지며 이 전압은 전압 분배법칙에 의해
  0mV가 입력되면 : R2/(R1+R2) * 12 = 0.8V로
  +5mV가 입력되면 : +5mV + R2/(R1+R2) * 12 = 0.805V로
  -5mV가 입력되면 : -5mV + R2/(R1+R2) * 12 = 0.795V로 전압 범위가 변동됨

  즉 ±5mV의 마이크 신호가 0.795V~0.805V범위의 신호로 변경되어 2N3904에 bias됨

  이 범위의 신호는 2N3904의 on characteristics중 VBE(SAT)값인 0.65V 보다 크므로 2N3904가 적절히
  bias되어 2N3904가 turn on될 수 있음

STEP4.
  VRE = VB-0.7 이므로
  VRE = 0.795 - 0.7 = 0.095V
  VRE = 0.805 - 0.7 = 0.105V

STEP5.
  Ie = VRE/Re 이므로
  Ie = 0.095 / 100 = 0.95mA
  Ie = 0.105 / 100 = 1.05mA

STEP6.
  Ie = IC 이므로
  IC = 0.95mA
  IC = 1.05mA

STEP7.
  VRC = IC*RC 이므로
  VRC = 0.95 * 10K = 9.5V
  VRC = 1.05 * 10K = 10.5V

STEP8.
  VC = 12V-VRC 이므로
  VC = 12 - 9.5 = 2.5V
  VC = 12 - 10.5 = 1.5V

FINISH.
  BJT인 2N3904를 (common-emitter 증폭회로의 단점을 보완한) emitter degeneration으로 설계하여
  voltage amp를 구현했고 그 결과 10mVpk-pk의 마이크 신호를 입력하여 1.5V~2.5V범위의 1Vpk-pk를
  얻을 수 있는 100배 증폭이 가능한 회로를 만들었다.


이렇게 해서 첫번째 포스트에선 BJT를 한 개 선정하여 선정된 부품의 특성을 살펴보았고
두번째 포스트에선 BJT 회로들의 종류를 살펴보고 그 중 가상의 프로젝트를 위한 회로를 선정했으며
세번째 포스트에선 회로의 동작에 대해 설명하였다.


포스트의 부족한 내용이나 아쉬운 부분을 본 페이지에 특화된 google검색을 통해서 알아보세요.

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Posted by nooriry

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  1. 공돌이 2014.06.07 10:10 신고  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    이 자료를 보며 따라하고 있는데, 입력신호의 Dc성분을 없에려고 C1을 사용했는데 R2랑 연결되면 하이패스 필터가 되버리지 안나요?
    저는 입력신호를 구형파(사다리꼴,시리얼통신용)인 소신호를 넣는데 C1선택에 어려움을 겪네요

    • nooriry 2014.06.11 13:03 신고  댓글주소  수정/삭제

      넵. 맞습니다. HPF로 구성되어 있기 때문에 구형파의 DC성분이 뭉게지죠.
      Digital신호인 low, high신호만 입력된다면 C1을 없애고 하시면 될것 같은데요?
      만일 C1이 꼭 필요하다고 하시면 C1을 거친 후 슈미트 트리거등을 통과시켜 transistor에 넣으시면 될 것 같습니다.
      방문해 주셔서 감사합니다.

  2. 나그네 2014.07.11 14:51 신고  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    우선 잘보았습니다. 그런데 그림에서 파형을 잘못해석하신것 같습니다.
    대부분 간과하는부분인데 1단증폭기를 거치게 되면 위상이 뒤집혀 나오게 됩니다.
    그렇다고 딱 90도가 뒤집히는건 아니고 소자의 특성과 용량리액턴스에 따라 변하게 됩니다.
    증폭기의 출력을 오실로스코프로 찍어서 파형을 관찰해보시면 이러한 부분을 확인가능하실겁니다.
    그래서 위상을 동위상으로 맞추기위해 실제회로에선 트랜지스터 1단증폭으로 바로 출력을 뽑는경우는 없습니다.
    마지막으로 out단자에 스피커랑 연결한다고 가정했을때 스피커 임피던스(우리나라에선 보통 1k주파수를 기준으로 합니다.)
    스피커를 제대로 구동하려면 증폭기와 임피던스 매칭을 시켜주어야 하지요. 그런데 왜 위상이 변할수밖에 없느냐??
    결정적으로 캐패시터는 시간을 왜곡하는 특성이 있습니다. 용량이 클수록 더 많은 시간을 왜곡하게 되죠.
    그런데 증폭회로에서 입력단자에 캐패시터가 없으면 트랜지스터에 바이어싱을 할수가 없습니다.
    왜냐하면 소자가 스스로 신호성분과 전기적인 성분이 중첩되어 어느것을 증폭할지 결정할수 없기떄문이죠.
    이는 증폭회로에서 매우 중요한 부분인데 트랜지스터 자체는 DC전압으로 작동합니다. 그런데 우리가 증폭할 신호는 시간에 따라 전압이 변하는 AC라고 볼수있는 소신호이죠. 그런데 무엇을 증폭할지 TR 스스로 구분할수가 없다는겁니다.
    그래서 회로에서 바이어싱이 들어가는겁니다. 바이어스(bias)라고 하면, 사전적의미로는 가만히 (자연스럽게 또는 자유로이) 내버려두지 않고 외부에서 힘이나 에너지를 가하여 의도적으로 한 방향으로 치우치게 하거나 특정한 경향성을 나타내도록 하는 것을 말합니다만. 어원적으로 보면 '속이다' '편견을 주입하다' 라는 뜻을 가지고 있습니다. 그래서 모든회로에서 바이어스라는것은 사실 속임수라는 뜻을 내포하고있습니다. 이는 단순히 캐패시터가 직류성분을 차단한다는 단순한 논리로는 설명할수 없는 부분이기도합니다. 캐패시터가 어떻게 바이어싱.노이즈 제거. 리셋회로, LPF,HPF 로 응용되는지.. 한가지 정확한 개념만 알면 모두 이해할수 있게되지요. 사실 캐패시터는 AC든 DC도 어떠한 전류도 통과시키지 않습니다. 단지 눈으로 보일때 DC를 차단하고 AC를 통과시키는것처럼 보이는거지요. 참 알고나면 별개아닌데 이걸 이해하기 쉽지않죠.

  3. ㅎㅎ 2015.04.06 11:58 신고  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    좋은정보 감사합니다.