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1. 서론
1.1. 교육에서의 BJT 증폭기 특성 이해
BJT(Bipolar Junction Transistor)는 전자회로 설계에 있어 중요한 능동 소자이다. BJT는 3단자 소자로서 베이스(Base), 컬렉터(Collector), 에미터(Emitter)로 구성되어 있다. 베이스에 전류가 흐르면 에미터와 컬렉터 사이의 전류를 제어할 수 있어 증폭 기능을 수행할 수 있다. 이러한 BJT의 특성은 전자공학 교육에서 매우 중요하게 다루어진다.
BJT의 대표적인 증폭기 구성이 공통 에미터(Common-Emitter) 증폭기이다. 공통 에미터 증폭기는 높은 전압 이득을 얻을 수 있어 널리 사용되며, 입력 저항이 크고 출력 저항이 작은 특징을 가진다. 따라서 BJT의 동작 특성을 이해하고 공통 에미터 증폭기의 특성을 분석하는 것은 전자공학 교육에서 매우 중요하다.
교육 현장에서는 BJT의 입력 특성, 출력 특성, 바이어스 회로 설계, 소신호 증폭 특성 등을 실험을 통해 분석한다. 이를 통해 BJT의 동작 원리와 공통 에미터 증폭기의 특성을 깊이 있게 이해할 수 있다. 또한 실험 결과를 바탕으로 BJT와 공통 에미터 증폭기의 장단점, 활용도, 미래 전망 등을 종합적으로 분석할 수 있다. 이는 전자공학 교육에 있어 매우 중요한 부분이라고 할 수 있다.
실험을 통한 BJT 특성 분석은 이론 수업만으로는 얻을 수 없는 실용적인 지식을 제공한다. 학생들은 직접 BJT 회로를 구성하고 측정 데이터를 분석함으로써 BJT의 동작 원리와 증폭기로서의 특성을 보다 깊이 있게 이해할 수 있다. 이를 통해 BJT와 공통 에미터 증폭기에 대한 이해도를 높일 수 있으며, 나아가 전자회로 설계 능력을 향상시킬 수 있다. [1,2,3]
1.2. 공통 에미터 증폭기의 역할과 특징
공통 에미터 증폭기는 BJT(Bipolar Junction Transistor)를 이용한 대표적인 증폭기 회로이다. BJT는 베이스, 콜렉터, 에미터의 3개 단자로 구성된 반도체 소자로, 베이스에 작은 전류가 흐르면 에미터와 콜렉터 사이의 전류를 크게 증폭시킬 수 있는 특징이 있다.
공통 에미터 증폭기는 이러한 BJT의 특성을 활용하여 입력 신호를 증폭하는 회로이다. 베이스에 가해진 작은 입력 전류에 의해 콜렉터와 에미터 사이의 전류가 크게 증가하게 되고, 이를 통해 전압 증폭이 이루어진다. 따라서 공통 에미터 증폭기는 전류 증폭과 전압 증폭이 모두 가능한 회로라고 할 수 있다.
공통 에미터 증폭기는 높은 전압 이득과 전류 이득을 가지며, 입력 임피던스는 중간 수준, 출력 임피던스는 낮은 수준을 갖는다. 또한 BJT의 특성상 온도 변화에 민감하다는 단점이 있지만, 비교적 저렴한 가격과 우수한 증폭 성능으로 인해 아날로그 회로 설계 분야에서 널리 활용되고 있다.
공통 에미터 증폭기는 전자 회로 설계 및 분석 교육에서 중요한 실험 대상이 된다. BJT의 동작 원리와 특성을 이해하고, 실험을 통해 공통 에미터 증폭기의 입력/출력 특성, 바이어스 회로 동작, 소신호 증폭 특성 등을 분석할 수 있기 때문이다. 이를 통해 학생들은 BJT 및 증폭기 회로 설계의 기본 지식과 실험 기술을 습득할 수 있다.
1.3. 실험을 통한 BJT 특성 분석의 필요성
BJT는 교육 현장에서 매우 중요한 소자이며, 그 특성을 이해하는 것은 전자회로 설계에 필수적이다. 공통 에미터 증폭기는 BJT 회로에서 널리 사용되는 구성이며, 이를 분석하면 BJT의 동작 원리와 특성을 깊이 있게 이해할 수 있다.
먼저, BJT의 입력 특성을 파악하기 위해 공통 에미터 구성에서의 입력 저항을 측정한다. 베이스 전류와 VBE의 관계를 살펴봄으로써 입력 저항 hie를 계산할 수 있다. 이는 BJT 증폭기의 바이어스 설계에 중요한 정보를 제공한다.
다음으로, BJT의 출력 특성을 분석한다. 베이스 전류를 고정한 상태에서 VCE와 IC의 관계를 측정하여 포화 영역과 능동 영역을 구분할 수 있다. 또한 DC 전류 이득 β, small-signal 전류 이득 α, 출력 어드미턴스 hoe, 전압 피드백 비율 hre, Early 전압 VA 등의 중요한 파라미터를 계산할 수 있다. 이를 통해 BJT 증폭기의 소신호 동작을 이해할 수 있다.
이어서, 공통 에미터 증폭기의 바이어스 회로를 설계하고 분석한다. 가변 저항을 이용해 바이어스 전압을 조절하면서 출력 특성의 변화를 관찰할 수 있다. 이를 통해 바이어스 설계의 중요성과 그에 따른 증폭기 성능의 변화를 이해할 수 있다.
마지막으로, 소신호 증폭 특성을 측정한다. 주파수와 진폭에 따른 전압 이득의 변화, 바이어스 전압 변화에 따른 왜곡 발생 등을 관찰하여 공통 에미터 증폭기의 선형성과 한계를 분석할 수 있다.
이와 같은 일련의 실험을 통해 BJT의 입력 특성, 출력 특성, 바이어스 회로, 소신호 증폭 특성 등 다양한 측면에서 BJT의 특성을 심도 있게 분석할 수 있다. 이는 BJT 증폭기의 이해와 설계에 필수적인 정보를 제공하며, 교육 현장에서도 중요한 의미를 가진다.
2. 공통 에미터 증폭기의 입력 특성
2.1. 공통 에미터 구성의 입력 저항 측정
BJT(Bipolar Junction Transistor)는 3단자 소자로, 베이스 단자에 얇은 n형 또는 p형 반도체를, 양 단자에는 반대 극성의 반도체를 형성하여 만든 트랜지스터이다. 이 3개의 반도체 특성에 의해 전류가 흐르게 된다.
공통 에미터 구성은 BJT를 이용한 증폭기 회로 중 하나로, 베이스 단자에 전류가 흐르면 이에 비례하여 출력 전류 IC가 조절된다. MOSFET이 전압을 기준으로 하는 전압 제어 전류원(VCCS)인 것과 달리, BJT는 전류를 기준으로 하는 전류 제어 전류원(CCCS)이라고 할 수 있다.
공통 에미터 증폭기 역시 전류를 증폭시키는 증폭기이므로 입력 저항이 존재한다. 이는 전원 전압 VCC를 1V, 3V, 4.5V, 5.5V로 인가하고 각 경우에 베이스 전압 VBB를 변화시키면서 베이스 전류 IB와 베이스-에미터 전압 VBE를 측정하여 확인할 수 있다.
실험 결과, VCC의 값에 상관없이 IB는 오직 VBB에 의해서만 결정됨을 알 수 있었다. 하지만 VBE 측정 시 DMM으로 인한 오차가 발생하여 그래프에서 VCC에 따른 IB 값의 차이가 나타났다. 이는 VBE=VBE-IBRB 관계에서 VBE 측정의 오차 때문인 것으로 생각된다.
입력 저항 hie는 VBE/IB의 값으로, 공통 에미터 증폭기의 바이어스 포인트에서의 기울기에 해당한다. 따라서 이후 실험에서 구한 바이어스 포인트의 기울기로부터 해당 증폭기의 입력 저항을 계산할 수 있다.
2.2. 바이어스 전압에 따른 베이스 전류 변화
BJT(B...
