C2 · BJT

DC 바이어스: 흔들리기 전에 자리부터 잡는다

트랜지스터를 증폭에 쓰려면 먼저 활성 영역의 한 점에 자리 잡아 두어야 한다. 이 유닛에서는 바이어스를 직접 바꿔 가며 동작점이 부하선 위 어디에 놓일 때 신호가 가장 넓게 흔들릴 수 있는지 찾는다.

부하선 위에서 동작점을 옮긴다

기울어진 직선이 부하선이고, 컬렉터 전류와 컬렉터-에미터 전압은 늘 이 선 위에 함께 놓인다. 바이어스를 바꾸면 동작점이 선을 따라 미끄러지는데, 왼쪽 위 끝은 포화이고 오른쪽 아래 끝은 차단이다. 신호가 가장 넓게 흔들릴 자리가 어디인지 찾는다.

바이어스 베이스 전류 IbIb = 8 μA

동작점 Q

Vce = 9.2 V   Ic = 0.8 mA

동작점이 차단 근처다. Vce가 거의 Vcc까지 차 있어서 아래로 내려갈 여유는 크지만 위로 오를 여유는 거의 없다.

가장자리 · 스윙 못 함

부하선, 컬렉터 회로의 약속

컬렉터 쪽에는 전원 Vcc와 저항 Rc가 트랜지스터와 직렬로 이어진다. 이 고리에 키르히호프 전압 법칙을 쓰면 Vcc = Ic Rc + Vce, 곧 Vce = Vcc - Ic Rc가 되는데, 이것이 Ic와 Vce 평면 위의 직선인 부하선이다. 한쪽 끝은 Ic가 0인 차단(Vce = Vcc)이고, 다른 끝은 Vce가 거의 0인 포화(Ic = Vcc/Rc)다. 트랜지스터의 동작점은 반드시 이 선 위 어딘가에 있다.

동작점 Q는 바이어스가 정한다

부하선 위 어느 점에 앉을지는 베이스에 흘리는 바이어스 전류가 정한다. 바이어스가 Ib를 정하면 C1에서 본 Ic = β Ib가 컬렉터 전류를 정하고, 그 Ic가 부하선과 만나는 자리가 동작점 Q다. 바이어스가 너무 적으면 Q가 차단 쪽으로 내려가 트랜지스터가 꺼지고, 너무 많으면 포화 쪽으로 올라가 Vce가 바닥에 붙어 더 움직이지 못한다.

가운데가 좋다, 스윙 여유

나중에 신호를 넣으면 동작점을 가운데로 Vce가 위아래로 흔들린다. Q가 한쪽 끝에 너무 가까우면 흔들림이 금세 차단이나 포화에 부딪혀 잘려 나간다(클리핑). 위아래 여유가 같아지는 부하선 한가운데, 곧 Vce가 Vcc의 절반쯤일 때 신호가 양쪽으로 가장 넓게 흔들릴 수 있다. 좋은 바이어스는 β나 온도가 바뀌어도 Q가 크게 움직이지 않아야 하는데, 흔히 에미터에 저항을 넣어 이 안정을 얻는다.

관찰Vce = Vcc - Ic Rc

부하선은 컬렉터 회로에 쓴 KVL이다.

고르기Ic,sat = Vcc / ?

포화 끝에서 Vce=0이라 Ic는 Vcc를 Rc로 나눈 값이다.

빈칸Ic = β ?

동작점의 컬렉터 전류는 바이어스가 정한 Ib의 β배이다.

스스로Vce,Q ≈ ?

최대 스윙은 Vce가 Vcc의 절반일 때다.

첫 화면으로 돌아가서

바이어스를 적게 주었을 때 동작점은 차단에 가까운 오른쪽 아래 끝에 매달려 위로 흔들릴 여유가 없었다. 많이 주자 포화 쪽 왼쪽 위 끝에 붙어 아래로 흔들릴 여유가 사라졌다. 부하선 한가운데에 두었을 때에야 위아래 여유가 같아졌다. 동작점은 늘 부하선 위에 있고 그 위치는 바이어스가 정하며, 가장 좋은 자리는 신호가 양쪽으로 마음껏 흔들릴 수 있는 한가운데다. 이제 그 자리에서 작은 흔들림이 어떻게 커지는지 볼 차례이다.

트랜지스터를 쓰려면 먼저 DC 바이어스로 동작점(Q점)을 활성 영역에 자리 잡아야 한다. 컬렉터 회로의 KVL이 부하선 Vce = Vcc - Ic Rc 을 정하고, 바이어스가 Ib(따라서 Ic = β Ib)를 정해 부하선 위의 한 점을 고른다. Q점을 부하선 중앙(Vce ≈ Vcc/2)에 두면 신호가 차단이나 포화에 부딪히지 않고 가장 크게 흔들린다. 좋은 바이어스는 β와 온도가 바뀌어도 안정해야 한다.

이어지는 흐름

이제 트랜지스터가 활성 영역의 한 점에 안정되게 앉아 있다. 다음 유닛에서는 그 점 둘레의 작은 흔들림만 떼어 내어, 큰 DC는 잠시 잊고 동작점 근처에서 트랜지스터를 선형 소자로 보는 소신호 모델을 다룬다. 거기서 작은 입력이 어떻게 큰 출력으로 자라는지, 증폭의 셈이 시작된다.