공통이미터 증폭기: 작은 입력이 큰 반전 출력으로
컬렉터 저항을 키워 이득을 만든다
옅은 곡선은 작은 입력이고 굵은 곡선은 출력이다. 컬렉터 저항을 키우면 출력이 점점 커지는데, 입력이 오를 때 출력은 내려가는 뒤집힌 모양이다. 저항을 키워 출력이 입력보다 크게 자라는 것을 확인하되, 봉우리가 위아래 끝에 닿아 잘리기 시작하는 지점도 함께 봐요.
입력이 베이스를 흔들면 컬렉터 전류가 흔들린다
입력 신호를 커패시터를 거쳐 베이스에 실으면 동작점 위에 작은 vbe가 더해진다. C3에서 본 대로 이 작은 전압은 신호 전류 ic = gm vbe를 만든다. 트랜지스터가 입력 전압의 흔들림을 그에 비례하는 전류의 흔들림으로 바꾼 것인데, 여기까지는 아직 전압이 아니라 전류라는 점이 중요해요.
그 전류가 Rc에서 전압이 되고, 뒤집힌다
이 신호 전류는 컬렉터 저항 Rc를 지나고, 옴의 법칙에 따라 Rc 양단 전압이 ic Rc만큼 흔들린다. 출력은 컬렉터에서 뽑는데 컬렉터 전압은 Vcc에서 Ic Rc를 뺀 값이므로, 신호 전류가 늘면 컬렉터 전압은 오히려 내려간다. 입력이 오를 때 출력이 내려가니 출력은 입력을 뒤집어 키운 복사본이다. vout = -ic Rc.
전압 이득 Av = -gm Rc
ic = gm vbe를 vout = -ic Rc에 넣으면 전압 이득 Av = vout/vin = -gm Rc가 나온다. gm은 C2에서 고른 동작점 전류가 정하고 Rc는 설계자가 고르니, 이 둘로 이득이 정해진다. 음의 부호는 위상이 180도 뒤집힌다는 뜻이다. 그렇다고 출력이 한없이 커지지는 않는다. 출력이 흔들릴 수 있는 폭은 C2의 동작점 여유에 묶여 있어서, gm Rc가 너무 크면 봉우리가 전원에 부딪혀 잘린다. 이득과 스윙은 맞바꿈이에요.
첫 화면으로 돌아가서
컬렉터 저항을 키울수록 출력이 점점 커졌고, 입력이 오를 때마다 출력은 내려가 뒤집힌 모양을 그렸다. 그 바탕에는 두 단계가 있다. 작은 입력 전압이 트랜지스터를 거쳐 먼저 신호 전류 gm vbe가 되고, 그 전류가 컬렉터 저항을 지나며 ic Rc만큼의 전압이 되어 컬렉터 전압을 끌어내린 것이다. 둘을 곱한 -gm Rc가 전압 이득이에요. 하지만 너무 키우면 봉우리가 전원에 닿아 잘렸으니, 이득은 늘 C2의 스윙 여유와 함께 정해진다. 소신호 모델이 마침내 증폭이라는 셈으로 완성되었다.
이어지는 흐름
이제 전압 이득 하나를 손에 쥐었다. 그러나 증폭기는 홀로 있지 않다. 앞에는 신호를 주는 소스가, 뒤에는 신호를 받는 부하가 붙는다. 다음 유닛에서는 증폭기가 소스와 부하에게 어떻게 보이는지, 곧 입력 임피던스와 출력 임피던스를 다루고, 그것이 실제 이득을 어떻게 깎거나 정하는지 살펴요.