이득과 임피던스: 증폭기는 이웃을 탄다
부하를 바꿔 이득이 깎이는 것을 보라
점선 봉우리는 부하가 없을 때의 이상적 출력이고 굵은 곡선은 실제 출력 vout이다. 부하 저항 RL을 줄여 무겁게 걸어 보라. 실제 출력이 점선 안쪽으로 쪼그라든다. 부하를 키우면 다시 이상값에 가까워진다.
입력 임피던스, 소스가 보는 저항
신호를 주는 소스의 처지에서 증폭기를 들여다보면 하나의 저항으로 보인다. 공통이미터에서 이 입력 임피던스는 소신호 입력 저항 rπ이 바이어스 저항들과 병렬로 묶인 값이다. 소스에는 늘 자기 내부 저항 Rs가 있어, 입력 임피던스와 분압을 이룬다. 입력 임피던스가 작으면 소스 전압의 일부만 베이스에 닿아 시작부터 신호를 잃는다.
출력 임피던스, 부하가 보는 저항
반대로 출력 쪽, 곧 컬렉터에서 증폭기 안을 들여다보면 부하는 또 하나의 저항을 본다. 트랜지스터의 출력은 이상적으로 무한대 저항의 전류원이라, 부하가 보는 출력 임피던스는 사실상 컬렉터 저항 Rc다. 그래서 부하 저항 RL을 달면 그것이 Rc와 나란히, 곧 병렬로 붙는다. 출력 임피던스가 작을수록 같은 부하를 달아도 전압이 덜 깎인다.
부하가 이득을 깎는다
부하 RL이 컬렉터 저항 Rc와 병렬이 되므로, 신호 전류가 보는 유효 저항은 Rc || RL이다. 그래서 실제 전압 이득은 Av = -gm (Rc || RL)이고, 이것은 부하가 없을 때의 -gm Rc보다 항상 작다. 무거운 부하, 곧 작은 RL일수록 병렬값이 줄어 이득이 많이 깎인다. 단을 여럿 잇대 큰 이득을 얻으려면, 앞 단의 출력 임피던스가 뒷 단의 입력 임피던스보다 충분히 작아야 신호를 잃지 않는다. 그래서 증폭기를 설계할 때 이득만큼이나 임피던스를 따진다.
첫 화면으로 돌아가서
부하를 무겁게 걸수록 실제 출력이 점선 안쪽으로 쪼그라들었고, 부하를 가볍게 하자 다시 점선에 가까워졌다. 그 점선은 부하가 없을 때의 이상적 이득 -gm Rc이고, 실제 출력은 늘 그보다 작은 -gm (Rc || RL)이었다. 깎임을 정한 것은 부하가 컬렉터에서 본 저항, 곧 출력 임피던스 Rc와 부하 RL의 병렬이다. 마찬가지로 입력에서는 입력 임피던스와 소스 저항이 분압을 이뤄 신호를 나눈다. 증폭기는 결코 홀로 살지 않으며, 이득은 늘 이웃한 임피던스와 함께 결정된다. 이것으로 BJT 증폭기의 한 바퀴가 끝났다.
이어지는 흐름
BJT는 작은 전류로 큰 전류를 다스렸다. 다음 묶음에서는 전류가 아니라 전압으로, 곧 게이트에 건 전계만으로 채널을 여닫는 또 다른 트랜지스터인 MOSFET을 만난다. 게이트로는 전류가 거의 흐르지 않아 입력 임피던스가 매우 크다는 점부터, 그 구조와 문턱 전압을 첫 유닛에서 본다.