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  1. 2012.03.29 BJT의 동작원리와 특징 및 활용 - ③ 6
  2. 2012.03.20 BJT의 동작원리와 특징 및 활용 - ① 2
2012. 3. 29. 13:41

BJT의 동작원리와 특징 및 활용 - ③

[HARDWARE]/DEVICES

TRANSISTOR는 크게 BJT와 FET로 나눌 수 있다.

하지만 우리가 업무중에 'transistor'라고 하면 거의 BJT를 지칭하며 'FET'라고 하면 MOSFET이나
JFET등을 지칭한다.

이전 포스트에선 BJT를 한 개 선정하여 특성을 살펴보고 선정된 BJT로 어떻게 회로를 설계해야 하는지
알아보았다.

이번 포스트에선 BJT로 설계된 회로에 적절한 부품값을 넣어서 프로젝트를 마무리 하도록 한다.
☞ BJT의 동작원리와 특징 및 활용 - ①
☞ BJT의 동작원리와 특징 및 활용 - ②

참고로 MOSFET에 대한 내용은 이전 포스트를 참고하자.
☞ MOSFET의 동작원리와 특징 및 활용 - ①
☞ MOSFET의 동작원리와 특징 및 활용 - ②

1. 설계를 위해 필요한 값들
VC(아래 그림의 초록색 화살표 점선)는 증폭된 마이크 신호로써 우리가 최종적으로 얻고자 하는
마이크의 출력 신호인 Vout이다.
이 VC는 12V에서 VRC를 빼면 얻을 수 있다.

VRC는 저항 RC에 걸리는 전압이며 RC에 흐르는 전류인 IC(아래 그림의 초록 화살표)를 이용해서
Ic*Rc로 얻는다.

VRC=IC*RC에서 Ic는 저항 Re에 흐르는 전류인 Ie와 같다.

Ie(아래 그림의 초록색 화살표)는 2N3904의 emitter에 흐르는 전류로써 2N3904의 emitter와 GND사이에
걸리는 전압인 VRE를 저항 Re로 나눈 VRE/Re에서 얻을 수 있다.

VRE(아래 그림의 초록색 화살표 점선)는 다음의 차로 구할 수 있다.
- 2N3904의 base에 걸리는 전압인 VB
- 2N3904의 base와 emitter간의 포화 전압인 0.7V

즉 VB-0.7V로 얻는다.

결론적으로 VB를 알면 VRE를 알 수 있고
VRE를 알면 Re를 선정해서 Ie를 알 수 있고
Ie를 알면 IC를 알 수 있고
IC를 알면 RC를 선정해서 VRC를 알 수 있고
VRC를 알면 12V에서 VRC를 빼서 우리가 원하는 VC=Vout을 알아낼 수 있게된다.

마치 도미노가 쓰러지는것 처럼 VB를 쓰러뜨리면 주루루루룩 2N3904를 통해 Vout이 얻어지게 된다.

2. 최종 회로도
RC를 10KΩ로, Re를 100Ω으로 선정하여 다음과 같이 회로를 설계 하였다.

이 회로가 제대로 동작하는지 확인 해 보자

STEP1.
  Vin으로 10mVpk-pk의 마이크 신호가 입력

STEP2.
  마이크 신호가 C1을 거치면서 GND를 기준으로 10mVpk-pk의 AC성분만 남음

STEP3.
  C1을 통과한 전압은 최소 -5mV, 최대 5mV의 전압 범위를 가지며 이 전압은 전압 분배법칙에 의해
  0mV가 입력되면 : R2/(R1+R2) * 12 = 0.8V로
  +5mV가 입력되면 : +5mV + R2/(R1+R2) * 12 = 0.805V로
  -5mV가 입력되면 : -5mV + R2/(R1+R2) * 12 = 0.795V로 전압 범위가 변동됨

  즉 ±5mV의 마이크 신호가 0.795V~0.805V범위의 신호로 변경되어 2N3904에 bias됨

  이 범위의 신호는 2N3904의 on characteristics중 VBE(SAT)값인 0.65V 보다 크므로 2N3904가 적절히
  bias되어 2N3904가 turn on될 수 있음

STEP4.
  VRE = VB-0.7 이므로
  VRE = 0.795 - 0.7 = 0.095V
  VRE = 0.805 - 0.7 = 0.105V

STEP5.
  Ie = VRE/Re 이므로
  Ie = 0.095 / 100 = 0.95mA
  Ie = 0.105 / 100 = 1.05mA

STEP6.
  Ie = IC 이므로
  IC = 0.95mA
  IC = 1.05mA

STEP7.
  VRC = IC*RC 이므로
  VRC = 0.95 * 10K = 9.5V
  VRC = 1.05 * 10K = 10.5V

STEP8.
  VC = 12V-VRC 이므로
  VC = 12 - 9.5 = 2.5V
  VC = 12 - 10.5 = 1.5V

FINISH.
  BJT인 2N3904를 (common-emitter 증폭회로의 단점을 보완한) emitter degeneration으로 설계하여
  voltage amp를 구현했고 그 결과 10mVpk-pk의 마이크 신호를 입력하여 1.5V~2.5V범위의 1Vpk-pk를
  얻을 수 있는 100배 증폭이 가능한 회로를 만들었다.


이렇게 해서 첫번째 포스트에선 BJT를 한 개 선정하여 선정된 부품의 특성을 살펴보았고
두번째 포스트에선 BJT 회로들의 종류를 살펴보고 그 중 가상의 프로젝트를 위한 회로를 선정했으며
세번째 포스트에선 회로의 동작에 대해 설명하였다.

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Posted by nooriry
2012. 3. 20. 19:22

BJT의 동작원리와 특징 및 활용 - ①

[HARDWARE]/DEVICES

Transistor는 크게 BJT와 FET로 나눌 수 있다.

하지만 우리가 업무중에 'transistor'라고 하면 거의 BJT를 지칭하며 'FET'라고 하면 MOSFET이나
JFET등을 지칭한다.

이번 포스트에선 BJT를 한 개 선정하여 특성을 살펴보고 다음 포스트에선 선정된 BJT로 어떻게 회로를
설계해야 하는지 알아볼 것이다.

☞ BJT의 동작원리와 특징 및 활용 - ②

☞ BJT의 동작원리와 특징 및 활용 - ③


참고로 MOSFET에 대한 내용은 이전 포스트를 참고하자.
☞ MOSFET의 동작원리와 특징 및 활용 - ①

☞ MOSFET의 동작원리와 특징 및 활용 - ②


1.TRANSISTOR의 종류
TRANSISTOR의 가계도를 보기 좋게 도식으로 표현 해 보면 다음과 같다.

우리는 TRANSISTOR -> BIPOLAR -> NPN BJT에 속하는 부품을 선정하여 특성을 살펴보고 회로 설계를
진행할 것이다.

2. 2N3904의 개요
본 포스트의 진행을 위해 선정한 BJT는 FAIRCHILD社의 General purpose NPN BJT인 2N3904이다.

2N3904에 대해 알아보자.

위의 그림을 보면 동일한 부품이 package에 따라서 part name이 2N3904, MMBT3904, PZT3904라고
다르게 붙어있다.

SOT-23 packag인 MMBT3904의 경우엔 매우 작기 때문에 부품에 MMBT3904라고 쓸 자리가 없어서
'1A'라고 marking을 했다고도 나와있다.

같은 부품을 여러 package로 출시하는 이유는 부품의 크기와 소비 전력을 차별화 하기 위함이다.
아래 표에서 볼 수 있듯이 덩치가 가장 큰 SOT-223 package인 PZT3904의 경우 소비전력이 가장 높음을
알 수 있다.


3. 2N3904의 특성
2N3904의 datasheet를 살펴보자.
이 부품이 어떤 특성을 가지고 있는지 파악해서 설계시 참고하기 위함이다.

  3.1 ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS

    VCEO가 40V까지고 VCBO가 60V까지므로 설계시 이 범위를 넘지 않도록 주의해야 한다.
   VEBO는 6V까지므로 TTL level이상으로 bias하는것은 위험하다.

  3.2 ON CHARACTERISTICS

    맨 아래의 VBE는 Base-Emitter Saturation Voltage인데 Base와 Emitter간에 얼마의 전압이 걸려야
    2N3904가 ON이 되는지를 나타낸 것이다.
    위의 표에서 보듯이 VBE가 최소 0.65V가 입력되어야 2N3904가 ON이 됨을 알 수 있다.

    맨 위의 hFE는 collector의 전류와 base의 전류 비로서 전류 증폭률(β)이라고 한다.
    전류 증폭률(β) = IC/IB 이며 IB에 흐르는 전류에 비해서 얼마나 증폭된 전류가 IC에 흐르는가를
    의미한다.

    
    위의 표에서 IC=10mA, VCE=1.0V 일 때 hFE는 최대 300 이라고 되어 있는데 이 의미는 
    Base에 33uA를 넣어주면 collector에서 emitter로 IB의 300배인 10mA가 흐른다는 의미이다.

    hFE와 관련하여 2N3904의 typical characteristics를 살펴보면 위의 표와 VCE조건이 다르긴 하지만

    IC=10mA일 때 붉은색의 hFE는 250 정도이고 IC=100mA일 땐 hFE가 150 정도임을 알 수 있다.
    즉 조건만 잘 맞추면 2N3904는 전류 증폭률을 몇 십에서 250 또는 300까지 만들수 있다는 뜻이된다.

이로써 BJT의 특성에 대한 검토를 마치며 다음 포스트에선 BJT를 이용하여 회로를 어떻게 설계 할
것인가에 대해 살펴보기로 한다.

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