콘텐츠로 이동

공통 이미터 증폭기

교육과정: Sek II, A-level (Electronics), electronics courses

전체 버전 열기 ↗

목표

트랜지스터 증폭단을 구성하고, 그 동작점과 전압 증폭률을 구합니다.

실험 장치

9 V 전압원이 NPN 트랜지스터(\(\beta\) = 100)에 전원을 공급합니다. 컬렉터는 2.2 kΩ 저항을, 베이스는 470 kΩ 바이어스 저항을 거쳐 전압원에 연결되고, 이미터는 470 Ω 저항을 거쳐 공통선에 연결됩니다. 교류 전압원(정현파, 진폭 0.2 V, 1 kHz)이 10 µF 커패시터를 거쳐 베이스에 신호를 넣습니다. 오실로스코프: CH1 — 교류 전압원의 출력(100 mV/div), CH2 — 컬렉터(500 mV/div, AC 결합), 0.5 ms/div.

실험 방법

  1. 실험을 연 뒤 2~3초 기다리세요. 커패시터가 충전되고 동작점이 안정됩니다. 두 파형, 즉 입력과 컬렉터에서 신호의 피크-피크 값과 위상을 비교하세요.
  2. 전압 증폭률, 즉 입력의 피크-피크 값에 대한 컬렉터의 피크-피크 값의 비를 구하세요.
  3. CH2에서 DC 결합과 2 V/div를 선택하고, 컬렉터의 직류 전압을 어림하세요.
  4. 교류 전압원의 진폭을 1 V로 높이고 CH1을 0.5 V/div로 바꾸세요.
  5. 이미터 저항의 매개변수 카드에서 470 Ω을 220 Ω으로 바꾸고, 교류 전압원의 진폭을 다시 0.2 V로 설정하세요.
예상 결과

컬렉터의 신호는 입력보다 크고 입력과 위상이 반대입니다. 피크-피크 값이 0.4 V에 대해 약 1.8 V로 증폭률은 약 4.5이며, 이는 컬렉터 저항과 이미터 저항의 비 2.2 kΩ / 470 Ω에 가깝습니다. 컬렉터의 직류 전압은 약 5.4 V입니다. 계산하면 컬렉터 전류는 약 1.6 mA, 이미터 전압은 약 0.77 V입니다 — 실험 장치에는 이 값들이 표시되지 않습니다. 진폭이 1 V이면 출력 정현파가 잘립니다. 위쪽에서는 트랜지스터가 차단되고, 아래쪽 이미터 전압 근처에서는 트랜지스터가 포화됩니다. 이미터 저항이 220 Ω이면 증폭률이 대략 두 배가 되고 동작점이 이동합니다. 바이어스 저항 하나가 베이스 전류를 정하고 컬렉터 전류는 그 \(\beta\)배이므로, 동작점은 \(\beta\)에 따라 달라집니다. 같은 종류의 실제 트랜지스터라도 \(\beta\)는 100에서 300까지 서로 다릅니다. 트랜지스터의 매개변수 카드에서 전류 증폭률 β를 300으로 바꿔 보세요. 이제 바이어스는 약 4 mA의 컬렉터 전류를 요구하는데, 이는 2.2 kΩ과 470 Ω 저항이 흘릴 수 있는 것보다 많아서 트랜지스터는 약 3.3 mA에서 포화됩니다. 신호가 없으면 컬렉터는 약 1.7 V로 이미터보다 겨우 0.2 V 높습니다. 0.2 V 신호를 넣으면 아래쪽 반파가 이미 잘리고, 컬렉터 전압의 평균은 약 2.7 V가 됩니다. 그래서 실제 증폭기에서는 저항 두 개로 된 전압 분배기로 베이스에 바이어스를 겁니다.

질문

  1. 출력 신호는 왜 입력과 위상이 반대입니까?
  2. 교류 전압원과 베이스 사이에 왜 커패시터가 필요합니까?
  3. 컬렉터 저항을 두 배인 4.4 kΩ으로 바꾸기만 해서는 왜 증폭률을 두 배로 만들 수 없습니까? 동작점은 어디로 옮겨 가겠습니까?
답
  1. 입력 전압이 올라가면 베이스 전류와 컬렉터 전류가 커지고, 2.2 kΩ 컬렉터 저항에서의 전압 강하도 커집니다. 컬렉터 전압은 9 V에서 이 전압 강하를 뺀 값이므로, 입력이 올라가면 컬렉터 전압은 내려갑니다.
  2. 커패시터는 1 kHz 신호는 통과시키고(리액턴스가 약 16 Ω에 불과합니다) 직류는 막습니다. 교류 전압원의 다른 쪽 단자는 공통선에 연결되어 있으므로, 커패시터가 없으면 전압원이 자신의 작은 저항을 통해 베이스를 0 V 가까이에 붙잡아 둡니다. 470 kΩ 저항이 주는 바이어스가 사라지고, 0.2 V 신호는 트랜지스터를 도통시키기에 너무 작아서 트랜지스터는 차단된 채로 남습니다.
  3. 컬렉터 전류는 베이스 전류로 정해져 약 1.6 mA로 유지되므로, 4.4 kΩ 저항에는 약 1.6 mA · 4.4 kΩ ≈ 7.0 V의 전압 강하가 생기고, 컬렉터는 약 2 V로 이미터보다 약 1.2 V밖에 높지 않게 됩니다. 동작점이 포화 근처로 옮겨 갑니다. 이제 피크-피크 값이 약 3.6 V가 된 출력은 그 아래에 남은 여유 안에 들어가지 못해, 0.2 V 입력에서도 이미 아래쪽 반파가 잘립니다.