트랜지스터 임피던스 1

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입력 임피던스,

Z IN 또는 입력 저항은 트랜지스터 증폭기의 설계에서 중요한 매개 변수이므로, 앰프의 유효 입력 및 출력 임피던스와 전력 및 전류 정격에 따라 특성화할 수 있습니다.

증폭기 임피던스 값은 특히 신호의 왜곡을 최소화하기 위해 개별 앰프 단계를 차례로 계단식으로 연결할 때 특히 중요합니다.

증폭기의 입력 임피던스는 증폭기의 입력을 구동하는 소스에 의해 "보여지는" 입력 임피던스입니다. 

너무 낮으면 이전 단계에서 불리한 로딩 영향을 미치고, 해당 단계의 주파수 응답 및 출력 신호 수준에 영향을 미칠 수 있습니다. 

그러나 대부분의 애플리케이션에서 공통 이미터 및 공통 컬렉터 증폭기 회로는 일반적으로 높은 입력 임피던스를 갖습니다.

공통 컬렉터 증폭기 회로와 같은 일부 유형의 앰프 설계는 설계의 특성상 자동으로 높은 입력 임피던스와 낮은 출력 임피던스를 갖습니다. 

앰프는 높은 입력 임피던스, 낮은 출력 임피던스, 거의 모든 임의의 이득을 가질 수 있지만, 앰프 입력 임피던스가 원하는 것보다 낮으면 이전 스테이지의 출력 임피던스를 조정하여 보상할 수 있습니다. 그렇지 않은 경우 버퍼 증폭기 스테이지가 필요할 수 있습니다.

전압 증폭 ( Av ) 외에도 증폭기 회로에는 전류 증폭 ( Ai )도 있어야 합니다. 

전력 증폭 ( Ap )은 증폭기 회로에서도 기대할 수 있습니다. 

그러나 이 세 가지 중요한 특성을 갖는 것 뿐만 아니라 증폭기 회로는 높은 입력 임피던스 ( Z IN ), 낮은 출력 임피던스 ( Z OUT ) 및 어느 정도의 대역폭 ( Bw )과 같은 다른 특성을 가져야 합니다. 

어느 쪽이든, "완벽한" 앰프는 무한 입력 임피던스와 제로 출력 임피던스를 갖습니다.

많은 면에서, 증폭기는 그림과 같이 두 개의 입력 단자와 두 개의 출력 단자가 있는 일종의 "블랙 박스"로 생각할 수 있습니다. 

이 아이디어는 증폭기의 DC 세트 포인트와 작동 파라미터를 찾는데 사용할 수 있는 간단한 h- 파라미터 모델을 제공합니다. 

실제로 단자 중 하나는 접지 또는 0 볼트를 나타내는 입력과 출력 사이에서 공통입니다.

바깥 쪽을 바라 보았을 때, 이들 단자는 입력 임피던스 Z IN 과 출력 임피던스 Z OUT을 가집니다. 

증폭기의 입력 및 출력 임피던스는 이들 단자에 유입 또는 유출되는 전류에 대한 전압의 비율입니다. 

입력 임피던스는 증폭기에 공급되는 소스 전원에 따라 달라질 수 있으며, 출력 임피던스는 출력 단자에서 부하 임피던스 R L 에 따라 달라질 수 있습니다.

증폭되는 입력 신호는 대체로 부하 ( Z) 를 나타내는 증폭기 회로가 소스로 흐르는 교류 전류 (AC)입니다. 

증폭기의 입력 임피던스는 바이폴라 기반 트랜지스터 회로의 경우, 수백 옴 (Ohms Ω )에서 수천 옴 (Kilo-ohms kΩ )이 될 수 있으며, FET 기반 트랜지스터 회로의 경우 최대 수백만 옴 (Mega-ohms MΩ )입니다.

신호 소스와 부하가 증폭기에 연결되면 앰프 회로의 해당 전기적 특성을 그림과 같이 모델링할 수 있습니다.

출력 및 입력 임피던스 모델

여기서 V S 는 신호 전압, R S 는 신호 소스의 내부 저항, R L 은 출력에 연결된 부하 저항입니다. 

앰프가 소스와 부하에 어떻게 연결되는지 살펴봄으로써 이 아이디어를 더욱 확장할 수 있습니다.

증폭기가 신호 소스에 연결되면, 소스는 증폭기의 입력 임피던스 Zin 을 부하로 "인식"합니다. 

마찬가지로, 입력 전압 Vin 은 증폭기가 입력 임피던스 Zin 에서 보는 값입니다. 

그러면 앰프 입력은 그림과 같이 간단한 전압 분배기 회로로 모델링할 수 있습니다.

증폭기 입력 회로 모델

동일한 아이디어가 앰프의 출력 임피던스에도 적용됩니다. 

부하 저항 R L 이 증폭기의 출력에 연결되면 증폭기가 부하에 전원을 공급합니다. 

따라서 출력 전압과 임피던스는 그림과 같이 부하의 소스 전압(Vs)과 소스 임피던스(Zs)가 됩니다.

그런 다음 앰프의 입력 및 출력 특성을 모두 단순한 전압 분배기 네트워크로 모델링할 수 있음을 알 수 있습니다. 

앰프 자체는 공통 이미터 (이미터 접지), 공통 콜렉터 (이미터 팔로워) 또는 공통 베이스 구성으로 연결할 수 있습니다. 

이 튜토리얼에서는 이전에 본 공통 이미터 구성으로 연결된 바이폴라 트랜지스터에 대해 살펴 보겠습니다.

공통 이미터 증폭기

소위 고전적인 공통 이미터 구성은 잠재적인 분배기 네트워크를 사용하여 트랜지스터 베이스를 바이어싱합니다. 

전원 공급 장치 Vcc 와 바이어스 레지스터는 순방향 활성 모드에서 전도되도록 트랜지스터 작동 지점을 설정합니다. 

베이스에 신호 전류가 흐르지 않으면, 콜렉터 전류가 흐르지 않고(컷오프 트랜지스터), 콜렉터의 전압은 공급 전압 Vcc 와 동일합니다. 

베이스로 들어오는 신호 전류는 콜렉터 저항에 전류가 흐르게 하고, Rc 는 콜렉터 전압을 떨어 뜨리는 전압 강하를 발생시킵니다.

그런 다음 콜렉터 전압의 변화 방향이 베이스의 변화 방향과 반대입니다.

즉, 극성이 바뀝니다. 

따라서 공통 이미터 구성은 출력을 통과하는 로드를 나타내는 저항 RL로 표시된 것처럼 콜렉터에서 출력 전압을 수집하여 큰 전압 증폭과 잘 정의된 DC 전압 레벨을 생성합니다.

단일 단계 공통 이미터 증폭기

지금쯤이면 트랜지스터가 대기점 또는 Q 지점이라고 하는 선형 활성 영역 중앙에서 작동하는데 필요한 저항기 값을 계산할 수 있을 것입니다.

그러나 빠른 refresher리프레셔는 우리가 증폭기의 입력 임피던스를 찾기 위해 위의 회로를 사용할 수 있도록 증폭기 값이 어떻게 얻어 졌는지 더 잘 이해할 수 있도록 도움을 줄 것입니다

첫째, 트랜지스터의 작동 지점을 정의하기 위해 위의 단일 단계 공통 이미터 앰프 회로에 대해 몇 가지 간단한 가정을 해 보겠습니다.

이미터 저항기의 전압 강하, VRE = 1.5V, 대기 전류, IQ = 1mA, NPN 트랜지스터의 전류 이득 (베타)은 100 (β = 100)이며,

증폭기의 코너 또는 브레이크 포인트 주파수는 ƒ-3dB = 40Hz로 주어집니다.

입력 신호가 없는 대기 전류가 트랜지스터의 콜렉터 및 이미터를 통해 흐를 때 다음과 같이 말할 수 있습니다.

IC = IE = IQ = 1mA. 그래서 옴의 법칙을 사용하면 :

트랜지스터가 완전히 on (포화)으로 전환되면, 콜렉터 저항에 걸리는 전압 강하 Rc는 Vcc-VRE의 절반이 되어, 출력 신호가 클리핑되지 않고 중심점 주위에서 피크 투 피크 (peak-to-peak)에서 최대 출력 신호 스윙을 허용합니다.

증폭기의 DC 신호 전압 게인은 -RC / RE에서 찾을 수 있습니다.

또한 원래의 입력 신호에 대해 출력 신호가 반전되었기 때문에 전압 이득은 음의 값을 갖습니다.

NPN 트랜지스터가 순방향으로 바이어스됨에 따라 베이스 - 이미터 접합은 순방향 바이어스된 다이오드처럼 동작하므로, 베이스는 이미터 전압 (Ve + 0.7V)보다 0.7V 더 양수가 될 것이므로 베이스 저항 R2의 전압은 다음과 같습니다.

2 개의 바이어싱 저항이 이미 제공되어 있는 경우, 우리는 다음 표준 전압 분배기 공식을 사용하여 R2에서 기준 전압 Vb를 찾을 수 있습니다.

제공된 정보에 따르면 대기 전류는 1mA입니다.
따라서 트랜지스터는 12V 전원 Vcc에서 1mA의 콜렉터 전류로 바이어스됩니다.

이 콜렉터 전류는 Ic = β * Ib 와 같이 베이스 전류에 비례합니다.

트랜지스터의 DC 전류 이득, Beta (β)는 100으로 주어졌고, 트랜지스터에 유입되는 Base 전류는 다음과 같습니다.

R1 및 R2의 전압 분배 네트워크에 의해 형성된 DC 바이어스 회로는 DC 동작점을 설정합니다.

기본 전압은 이전에 2.2V로 계산되었으며, 12V 공급 전압 Vcc에서 이 전압 값을 생성하려면, R1 대 R2의 적절한 비율을 설정해야 합니다.

일반적으로 공통 이미터 증폭기 회로의 표준 전압 분배기 DC 바이어스 네트워크의 경우, 하부 저항 R2를 통해 흐르는 전류는 베이스에 흐르는 DC 전류의 10 배입니다.

그러면 저항값 R2는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

(베이스 바이어스 저항 R2)

저항 R1에서 전압 강하는 전원 전압에서 기본 바이어스 전압을 뺀 것입니다.

또한 저항 R2가 베이스 전류의 10 배를 전달하면, 직렬 체인의 상단 저항 R1은 트랜지스터의 실제 베이스 전류 Ib를 더한 R2 전류를 통과시켜야 합니다.

즉, 그림과 같이 기본 전류의 11 배입니다.

(베이스 바이어스 저항 R1)

공통 이미터 증폭기의 경우 이미터 바이패스 커패시터의 리액턴스 Xc는 보통 컷오프 주파수 지점에서 이미터 저항 RE의 값의 1/10 입니다.

증폭기 사양은 40Hz의 -3dB 코너 주파수를 가졌으며, 커패시터 CE의 값은 다음과 같이 계산됩니다.

이제 우리는 위에 있는 공통 이미터 앰프 회로에 대해 설정된 값을 계산해 볼 수 있습니다.

우리는 이제 앰프의 입력 및 출력 임피던스와 커플링 캐패시터 C1 및 C2 값을 계산할 수 있습니다.