공통이미터 증폭기: 작은 입력이 큰 반전 출력으로
컬렉터 저항을 키워 이득을 만들어라
옅은 곡선은 작은 입력 vin이고 굵은 곡선은 출력 vout이다. 컬렉터 저항 Rc를 키우면 출력이 점점 커진다. 그리고 출력은 입력이 오를 때 내려가는, 뒤집힌 모양이다.
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 그대로 비례하는 전류의 흔들림으로 바꾼 것이다. 아직 전압이 아니라 전류임에 주의하라.
그 전류가 Rc에서 전압이 되고, 뒤집힌다
이 신호 전류는 컬렉터 저항 Rc를 지난다. 옴의 법칙으로 Rc 양단 전압이 ic Rc만큼 흔들린다. 출력은 컬렉터에서 뽑는데, 컬렉터 전압은 Vcc에서 Ic Rc를 뺀 값이다. 그래서 신호 전류가 늘면 컬렉터 전압은 오히려 내려간다. 입력이 오를 때 출력이 내려가는 것, 곧 출력은 입력의 반전된 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 180도 반전을 뜻한다. 다만 이득을 키운다고 출력이 한없이 커지지는 않는다. 출력 스윙은 C2의 동작점 여유에 묶여 있어, gm Rc가 너무 크면 봉우리가 전원에 부딪혀 잘린다. 이득과 스윙은 맞바꿈이다.
첫 화면으로 돌아가서
컬렉터 저항을 키울수록 출력이 점점 커졌고, 입력이 오를 때마다 출력은 내려가 뒤집힌 모양을 그렸다. 그 비밀은 두 단계다. 작은 입력 전압이 먼저 트랜지스터를 거쳐 신호 전류 gm vbe가 되고, 그 전류가 컬렉터 저항 Rc를 지나며 ic Rc만큼의 전압이 되어 컬렉터 전압을 끌어내린 것이다. 둘을 곱한 -gm Rc가 전압 이득이다. 그러나 너무 욕심내면 봉우리가 전원에 닿아 잘렸으니, 이득은 늘 C2의 스윙 여유와 손을 잡고 결정된다. 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 부하에 어떻게 보이는지, 곧 입력 임피던스와 출력 임피던스를 보고, 그것들이 실제 이득을 어떻게 깎거나 정하는지를 본다.