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BJT 논리회로 기술을 조사 분석 하고 특성을 요약정리 하라

IC 기술의 의미많은 전자회로 소자가 하나의 기판 위 또는 기판 자체에 분리가 불가능한 상태로 결합되어 있는 초소형 구조의 기능적인 복합적 전자소자 또는 시스템이다. 현재 집적회로의 주축을 이루고 있는 것은 두께 1mm, 한 변이 5mm 정도의 칩 위에 전자회로를 형성시켜서 만드는 모놀리식 집적회로이다.BJT(양극성 접합 트랜지스터, bipolar junction transistor)란? 1948년 미국의 벨 연구소에서 처음 만들어졌다. 소수 또는 다수의 전자(캐리어)가 함께 전류를 형성하고 입력 신호를 출력 저항으로 전달하여 신호를 변화시키는 역할을 한다. 또한, 전류를 증폭시키거나 디지털 신호의 상태를 ON/OFF, 스위칭 등과 같이 바꿔주기 때문에 전자 회로에서 중요한 역할을 한다.P형과 N형이 접합된 모양 및 구조에 따라, 2개의 P형 반도체 사이에 N형 반도체가 있는 PNP 구조와 2개의 N형 반도체 사이에 P형 반도체가 있는 NPN 구조로 나뉘며, 이 두 가지 구조는 전류가 흐르는 방향에 따라 구분된다. 이 둘의 작동원리는 방향만 거꾸로 해주면 된다. 또한, 기능적인 역할에 따라서 전자를 주입시켜 전류가 흐르게 되는 이미터(emitter), 전류의 흐름을 제어하는 베이스(base), 양극성 접합 트랜지스터를 통해 증폭된 전류가 흐르게 되는 컬렉터(collector) 등 총 3개의 전극으로 이루어져 있다.전자 회로도에서 이미터에 표시된 화살표의 모양으로 PNP 구조와 NPN 구조를 구분할 수 있는데, PNP 구조는 이미터에 표시된 화살표의 모양이 베이스로 향해 있으며, NPN 구조는 반대로 베이스에서 이미터로 향해 있다.NPN형 BJT를 올바르게 동작시키는 방법은 BE에 순방향 바이어스 전압을 BC에 역방향 바이어스 전압을 걸어주는 것이다. 먼저 BE에 순방향 전압을 걸어주면, PN접합이 순방향으로 바이어스 된 것과 같아 다이오드와 비슷하게 작도된다. 그러다가 BC에 역방향 바이어스 전압을 걸어주면, 전자의 일부만 베이스로 나가게 되고 나머지 아이들은), 폭이 중간 크기Emitter는 전자가 정공에 비해 매우 많은 Position를 차지하고 있습니다. 따라서 상대적으로 매우 얋은 층을 가지고 있는 Base를 건너 Collector로 Emitter에서 나온 전자가 움직이게 되는 효과를 얻어낼 수 있습니다. Collector의 Doping 수준은 일반적으로 Emitter에 비해 약하게 하며, Emitter에서 건너온 전자들의 집합 장소이기도 합니다.② 베이스 전류(Base Electrons) : 중간농도 도핑(≒1017[㎝-3]), 폭이 가장 좁음만약에 Base 쪽으로 인가되는 전압이 Base-Emitter 다이오드의 Barrier Potential 보다 더 크다면, Emitter의 전자들은 Base 쪽으로 움직이기 시작합니다. Base에 도착한 전자들은 두개의 방향으로 각각 나뉘어집니다. 대부분의 전자는 Collector 쪽으로 움직이고, 소량의 전자는 Base와 연결된 외부의 전원단으로 움직이게 됩니다.③ 컬렉터 전류(Collector Electrons) : 저농도 도핑 (≒1015[㎝-3]), 폭이 가장 넓음Collector에 집결한 대부분의 전자들은 외부 전압에 의해 매우 강한 힘을 느끼게 되고 이에 따라 외부 전압이 있는 쪽으로 움직이게 됩니다. 이렇게 해서 전체 전자들의 흐름이 LOOP를 형성하게 됩니다.BJT의 베이스에 어떤 전류를 흘려 주고, 컬렉터에 걸어주는 전원을 점점 늘려보자① 차단 영역(Cutpff Region) : 베이스에 전류가 흐르지 않으면, 이론적으로 컬렉터 전류가 흐르지 않지만, 실제로는 약간 흐른다. 여하튼 베이스에 전압을 걸어주지 않은 상태를 차단영역 이라고 한다.② 포화 영역(Saturation Region) : B-E에 순방향 전압을 걸어주면 VBE는 다이오드와 같이 약 0.7V가 걸린다. Vcc를 0부터 증가시키면 VCE도 증가하고, 처음에는 B-E에 순방향 전압이 걸린다. 이때는 B-C가 별다른 저항을 하지 않으므로 컬렉터로 끌려가는 전자들이 순조롭게 늘어난다. 이 영적으로 BJT를 작동시키는 곳이다.④ 항복영역(Breakdown Region) : B-C는 PN접합으로, 역방향 전압이 너무 커지면 다이오드처럼 에벌랜치 항복이 발생하고 고장난다. 때문에 모든 BJT의 데이터시트에서 컬렉터 베이스 항복전압 V(BR)CEO를 적어준다. 이 영역을 항복영역이라고 한다.Active와 Passive능동회로 설계능동회로를 설계할 때는 비선형소자의 동작 특성을 완전히 파악하고 만들지 않으면 제대로 된 설계가 불가능하며, 그래서 일반적으로 수동회로보다는 능동회로가 더 설계하기 힘들다. 또한 능동회로는 비선형소자 특성상 외부조건에 대해 상대적으로 영향을 많이 받기 때문에 shielding이나 mounting에 대해서도 각별히 신경써야 한다.비선형 소자를 사용하는 능동회로 설계는 크게 Linear(선형)과 Nonlinear(비선형) 설계로 나누어진다. 비선형 소자들도 특정 구간에서는 선형적으로 동작할 때가 있는데, 이 부분만 이용한 설계를 Linear 혹은 Small signal (소신호)설계라고 하며, 포화영역이나 과도영역의 비선형 지역까지 고려하여 설계하는 것을 Nonlinear 혹은 Large signal (대신호)설계라고 불리운다. 당연히 Linear 해석을 통한 설계가 간단하고 쉽지만, 특정 전압/전류 범위에서만 안정된 동작을 제공하며, Nonlinear 해석은 넓은 범위에서 동작을 제어할 수 있으나 설계하기가 무척 까다롭다. 일반적으로 사용하고자 하는 능동회로의 동작범위와 목적에 맞게 해석법을 선택해야 한다.능동회로의 종류① Amplifier (증폭기) : 신호를 증폭해주는 회로로서, 각각의 FET/BJT를 원하는 특성이 나오도록 bias 조건을 정해준 다음, 그 bias에 의해 들어오는 전력을 입력신호 변화에 비례하는 형태로 출력을 내보낸다. 즉, 입력신호 자체를 뻥튀기하는 것이 아니라, 입력신호의 전압/전류 변화에 민감하게 bias 전력이 움직이게 함으로써 결과적으로 확대복사한 결과가 출력되는 셈이다. RF에서는 보통 여러단의 의 차이에 의해 AMP가 되느냐 Oscillator가 되느냐가 구분된다. 결과 자체도 AMP나 Oscillator나 비슷하지만, 주파수대역폭에 따라 구분되며, Oscillator는 source이기 때문에 출력단자만 있다는 점이 다르다. 실제로는 VCO (Voltage Controlled Oscillator)로서 설계되어서 주파수를 조절하거나 자체 feedback으로 안정화된 회로 형태를 많이 가지게 된다.③ Mixer (혼합기) : 두 주파수 성분을 합성하여 그 차이에 해당하는 주파수 신호만 검출하는 회로이다. 간단하게 Diode 몇 개 만으로도 구성이 가능하나, FET를 써서 구현하기도 한다. 반송파 (Carrier)에 신호를 변조시켜 보내는 시스템에서 IF (중간주파수)를 추출해내기 위해 주로 사용되며, 결과적으로 주파수 up/down converter로서 애용된다.④ Frequency Doubler (주파수 체배기) : 주파수를 배수 단위로 올리기 위한 회로로서, 특정 주파수의 고차 고조파(Harmonic)을 합성하는 방식을 많이 사용한다. 특성이 대체로 별로 좋지 않다.⑤ Phase shifter (위상천이기) : 신호의 위상만 변화하도록 하기 위한 회로로서, 0db Amplifier라고도 한다. 내부적으로는 AMP와 유사하지만 이득이 없는 회로처럼 구성되어 결과적으로 위상만 천이된 형태가 된다.⑥ 기타 : 수동소자인 필터와 안테나에 비선형소자를 이용하여 조절할 수 있도록 한 능동 안테나와 능동 필터 등이 있다.수동회로의 종류① Filter (여파기) : 수동회로의 꽃이라 불리우는 필터는 기본적으로 공진을 이용한 주파수 선별회로이다. 목적에 따라서 LPF (Low-pass filter), HPF (High-pass filter), BPF (band-pass filter), BSF (Band-stop filter ;일명 notch) 의 4가지로 분류된다. 일반적인 RF 통신회로에서는 원하는 대역폭만 추출하는 BPF와 잡음제거 및 다용도로 사용되는 LPF가type 필터가 주로 이용된다.③ RF switch : 하나의 통로를 통해 여러개의 RF 신호가 지나가야 할 경우, DC로 조절가능한 스위치를 이용하게 된다. RF 스위치는 사용자의 디지털 입력신호에 의해 RF 신호의 경로를 바꾸어주는 장치이다. 기지국단에서의 고장에 대비한 예비회로 연결용이나, 무선 LAN이나 TDD방식의 통신에서 하나의 안테나를 이용하여 입출력 신호를 분기하는 듀플렉서 대용으로 사용되기도 한다.④ Coupler (결합기) : 하나의 신호에서 특정 전력만큼만 추출해내고자 할 때 사용되며 그 추출전력 레벨에 따라 3dB coupler, 15dB coupler 등등으로 분류된다. 전력을 특정비율로 배분하거나 신호의 특성을 조사하기 위해 sampling을 하고 싶을 때 사용한다.⑤ Power Divider/Combiner (전력 분배기/합성기) : Coupler와 유사한 개념으로서, 특정 신호의 전력을 균등 혹은 차등하게 분배하거나 합성하는 회로를 뜻한다. 크게 손실 방식과 비손실 방식이 있는데, 비손실 방식은 Coupler와 같이 선로구조의 공진특성만을 이용하지만, 손실방식은 저항소자를 이용하여 전력의 balance를 조절한다. 비손실 방식은 Hybrid type이, 손실 방식으로는 Wilkinson 방식이 많이 애용된다.⑥ Antenna : RF 회로의 필수품인 안테나 역시 구조의 공진특성을 이용하여 특정 주파수를 공기중에 방출하는 회로이다. 내용적으로는 수동회로에 속하지만, 수동회로와 독립적인 고유영역으로 분류하는 경우도 많다. 자체적으로도 대단히 다양한 형태가 존재하며, 회로적인 특성보다는 철저하게 구조 특성에 영향을 받기 때문에 이론만으로 설계하기가 어렵다. 안테나는 송신용과 수신용이 근본적으로 구분이 되는 것이 아니며, (가역성) 사용자의 용도와 해당 주파수에 의해 송수신용이 구분된다고 보면 된다.⑦ 기타 : 선로를 중첩하여 구현한 스파이럴 인덕터나 LTCC 형태의 칩인덕터/칩 캐패시터 등이 있다.α증폭률과 β증폭률양극성 접합 트랜지스터

공학/기술| 2019.10.23| 8페이지| 1,000원| 조회(199)

BJT, 디지털공학, 정보통신공학과, 양극성 접합 트랜지스터

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