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1. 서 론
1.1. BJT의 개념 및 특성
BJT(Bipolar Junction Transistor)는 전자부품 중 하나로, 두 개의 PN 접합(기저, 이미터) 사이에 제3의 PN 접합(콜렉터)을 갖는 3단자 능동소자이다. BJT는 입력 전류의 변화에 따라 출력 전압이나 전류가 크게 증폭되는 특성을 갖고 있어, 증폭기, 스위칭 회로 등 다양한 전자회로에 널리 사용된다.
BJT는 NPN형과 PNP형 두 가지 종류가 있는데, NPN형 BJT에서는 다수 캐리어가 전자이고 PNP형 BJT에서는 다수 캐리어가 정공이다. BJT 내부의 PN 접합 전압강하는 약 0.7V로, 이는 트랜지스터의 동작 특성을 결정하는 중요한 파라미터이다. 또한 BJT는 능동증폭 소자로써 콜렉터 전류가 베이스 전류의 β배만큼 증폭되는 특성이 있다. 이러한 BJT의 특성은 증폭 및 스위칭 회로 설계에 활용된다. 바이어스 회로는 BJT를 선형적으로 동작시키고 열 안정성을 확보하기 위해 중요하며, 고정 바이어스, 전압 분배기 바이어스, 이미터 귀환 바이어스, 컬렉터 귀환 바이어스 등 다양한 형태가 사용된다. BJT의 이해와 바이어스 회로 설계는 전자 회로 구현에 필수적이다.
1.2. 바이어스 회로의 중요성
바이어스 회로는 트랜지스터의 안정적이고 효율적인 동작을 위해 매우 중요하다. 트랜지스터를 선형으로 동작시키기 위해서는 베이스-이미터 간 순방향 바이어스와 컬렉터-베이스 간 역방향 바이어스 조건이 충족되어야 한다. 이를 위해 바이어스 회로를 구성하여 트랜지스터에 적절한 전압과 전류를 인가한다.
고정 바이어스 회로의 경우 단일 전원을 사용하여 베이스-이미터 전압을 바이어스하지만, 트랜지스터의 특성 변화나 온도 변화에 따른 불안정성이 있다. 반면 전압분배기 바이어스 회로는 두 개의 전원을 사용하여 보다 안정적인 바이어스 전압을 만들어낸다. 또한 이미터에 추가로 저항을 연결하면 온도 변화에 따른 열폭주 현상을 방지할 수 있다.
이와 같이 바이어스 회로는 트랜지스터의 선형 동작 영역을 보장하고 외부 요인에 의한 특성 변화를 최소화하여 안정적이고 효율적인 회로 동작을 가능하게 한다. 따라서 트랜지스터 기반 회로 설계 시 적절한 바이어스 회로의 구성은 필수적이다. []
2. BJT의 고정 및 전압분배기 바이어스
2.1. 고정 바이어스 회로 분석
고정 바이어스 회로의 특징은 베이스-이미터 전압을 바이어스하기 위해 단일 전원 V를 사용한다는 것이다. 고정 바이어스 회로의 동작을 살펴보면, 기본적으로 트랜지스터가 활성 영역에서 동작하기 위해서는 베이스-이미터 간의 순방향, 컬렉터-베이스 간에는 역방향의 조건을 만들어주는 것으로써 바이어스 저항 R_B가 전원 전압과 병렬로 인가되어 베이스에는 바이어스 저항값에 따른 베이스 전류가 흐르고 이 전류는 이미터로 흘러가며, 이 과정에서 베이스와 이미터에는 바이어스 전압 V_BE가 생성된다. 다시 말해서 바이어스 전압이 만들어지는 것이다. 그런데 여기서 주의해야 할 것은 트랜지스터를 선형으로 동작시키기 위해서는 I_C R_C는 V_CC보다 작아야 한다. 그 이유는 V_CE가 전원 전압인 V_CC보다 적어야 하기 때문이다. I_C = βI_B인데 소자에 전류가 흐를 때 열이 많이 발생하여 출력 I_C가 증가함에 따라 트랜지스터에서의 열 발생량이 많아져 열폭주로 인해 소자가 파손될 우려가 있다. 그러나 고정 바이어스의 경우 회로 자체에서 열폭주의 제어를 하지 못하기 때문에 이미터 단자에 저항을 추가로 달아 전압 분배 바이어스를 사용한다. R_E는 온도 증가에 의해 I_C가 증가할 경우 되먹임 동작을 통해 I_C를 다시 감소시켜 추가적인 열발생을 방지하는 역할을 한다. 온도 변화 → I_c의 증가 → I_E의 증가 → V_RE의 증가 → V_BE의 감소 → I_B의 감소 → I_C의 감소와 같이 되먹임 작용을 통해 I_C를 안정화시킨다. 따라서 고정 바이어스...
