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C3 · BJT

소신호 모델: 가까이서 보면 곡선도 직선이다

동작점 둘레의 작은 흔들림에게 트랜지스터는 선형 소자처럼 보인다. 이 유닛에서는 신호 진폭을 직접 줄여 가며 출력이 어느 크기부터 입력을 깨끗이 닮는지 확인해요.

신호를 줄여 깨끗한 닮은꼴을 찾는다

옅은 곡선은 입력인 베이스-에미터 전압의 흔들림이고, 굵은 곡선은 출력인 컬렉터 전류의 흔들림이다. 신호가 크면 출력은 봉우리가 뾰족하고 골이 납작하게 일그러진다. 진폭을 줄여 출력이 입력과 같은 사인 모양이 되는 크기를 찾아요.

신호 진폭 vbevbe = 80 mV
소신호 관계 · ic = gm vbe
gm = Ic/VT ≈ 192 mA/V
rπ = β/gm ≈ 0.52 kΩ
진폭이 열전압에 견줄 만큼 크다. 지수 곡선의 휨이 그대로 드러나 출력의 봉우리가 골보다 훨씬 크게 솟는다.
큰 신호 · 일그러짐

동작점에서 곡선을 확대하면 직선

컬렉터 전류는 베이스-에미터 전압을 따라 지수적으로 휘어 오른다. 그래도 동작점 둘레의 아주 좁은 구간만 떼어 내 확대하면 매끄러운 곡선은 무엇이든 그 접선, 곧 직선으로 보인다. 작은 신호란 바로 이 좁은 구간 안에 머무는 흔들림이고, 그 안에서는 입력과 출력이 직선 관계, 곧 선형이에요.

접선의 기울기, gm = Ic/VT

그 접선의 기울기가 트랜스컨덕턴스 gm이다. 지수 함수는 미분해도 자기 자신에 비례하므로 기울기는 동작점의 컬렉터 전류를 열전압으로 나눈 gm = Ic/VT가 된다. 그래서 C2에서 고른 바이어스 전류가 클수록 접선이 가팔라 gm이 커지고, 같은 작은 입력에도 더 큰 출력 전류가 나온다. 동작점이 곧 이득의 손잡이인 셈이에요.

소신호 등가모델

이제 트랜지스터를 선형 상자 하나로 바꿔 그릴 수 있다. 입력 쪽은 베이스 전압을 베이스 전류로 나눈 입력 저항 rπ = β/gm으로 보이고, 출력 쪽은 ic = gm vbe = β ib인 전류원이다. 크기가 변하지 않는 DC 전원은 신호에게는 흔들림이 없으니 교류적으로는 접지로 둔다. 이 등가회로가 다음 유닛들에서 이득을 계산하는 도구이고, 신호가 좁은 구간을 벗어나지 않는 동안만 유효해요.

관찰ic = gm vbe
출력 전류는 트랜스컨덕턴스에 입력 전압을 곱한 값이다.
고르기gm = Ic / ?
트랜스컨덕턴스는 동작점 전류를 열전압으로 나눈 값이다.
빈칸rπ = β / ?
입력 저항은 β를 트랜스컨덕턴스로 나눈 값이다.
스스로gm rπ = ?
둘을 곱하면 전류 이득 β로 돌아와요.

첫 화면으로 돌아가서

신호가 클 때 출력은 봉우리가 뾰족하고 골이 납작한 일그러진 파형이었다. 지수 곡선의 휨이 그대로 비친 것이다. 진폭을 열전압보다 훨씬 작게 줄이자 그 좁은 구간에서 곡선이 직선처럼 보였고, 출력은 입력을 그대로 닮은 깨끗한 사인이 되었어요. 그 직선의 기울기가 gm이고, 덕분에 트랜지스터는 입력 저항 rπ과 전류원 gm vbe만 가진 선형 상자가 된다. 큰 DC는 자리를 잡아 주는 받침이고, 그 위의 작은 흔들림만이 이제부터 셈할 신호다.

동작점 둘레의 작은 신호에게 트랜지스터는 선형 소자다. 지수 곡선 Ic(Vbe)를 Q점에서 확대하면 기울기가 gm = Ic/VT인 직선으로 보이고(트랜스컨덕턴스), 그래서 작은 vbe가 ic = gm vbe 를 만든다. 트랜지스터는 입력 저항 rπ = β/gm과 전류원 gm vbe로 된 소신호 등가모델로 바뀐다(gm rπ = β). 신호가 작아 곡선이 직선처럼 보이는 동안만 유효하다.

이어지는 흐름

이제 트랜지스터를 선형 상자로 바꾸는 법을 익혔다. 다음 유닛에서는 이 상자를 실제 회로인 공통이미터 증폭기에 끼워 넣는다. 입력 신호가 베이스를 흔들면 전류원이 컬렉터 저항에 전류를 흘려 큰 출력 전압을 만들고, 소신호 모델로 그 전압 이득을 처음으로 직접 계산해요.