예비 - 실험 4. Diode 및 BJT 특성

목차

2. 준비문제

(1) 다이오드

1) 다음의 [그림 4-1]에 나타난 회로의 출력 전압이 시간에 따라 어떻게 변하는 가를 알아보자.

① 다음의 [그림 4-2]에 있는 두 회로의 전압-전류 특성을 같은 좌표 평면 상에 그려라.

② 를 -5V부터 +5V까지 변화시키면서 [그림 4-1] 회로의 입력신호 와 출력신호 간의 관계를 구하고, 를 x축, 를 y축으로 하는 transfer curve를 그려라.

③ 다이오드의 값이 1[pA], 10[pA], 100[pA]로 바뀌면 앞의 결과는 어떻게 달라지는지 그림으로 표시하여 비교하라.

④ 이상의 결과들을 이용하여 일 때 를 구하여 도시하라.

2) 다음의 [그림 4-3]의 회로에서 이고, 이라고 한다.

① 출력전압 의 AC성분의 peak-to-peak 전압이 1.0 V이상이 되도록 하려면, R과 C값을 얼마로 하면 좋겠는가?

② 출력단자에 저항 을 추가로 연결하면(Load 저항 연결) 출력전압이 감소할 것이다.

3) [그림 4-4]의 회로에서 <회로-1>부분의 출력전압 의 AC성분의 peak-to-peak값이 1.0V보다 크고, 출력저항이 AC성분, DC성분에 대해 모두 100보다 작도록 과 C를 선정하라.

4) 실험 내용을 살펴보고 실험결과를 예측하라. 설계해야 하는 실험이 있으면 설계 결과 뿐 만 아니라 그 원리와 근거도 밝혀라.


(2) BJT

1) BJT의 구조와 기호

(b) pnp형 BJT


2) BJT의 동작 모드

☞ BJT는 저항(R, resistor), 캐페시터(C, capacitor), 인덕터(L, inductor), 다이오드(diode)와는 다르게 3개의 단자(terminal)를 가지고 있다. 3개의 단자를 가지는 소자의 전기적인 특성은 3단자에 인가되는 전압들과 3단자로 흘러 들어가는 전류들 간의 관계들로서 표현된다. BJT는 세 단자에 인가되는 전압에 따라 active mode, saturation mode, cutoff mode, reverse-active mode 등의 4가지 동작 모드를 나타난다. 이들에 관하여 기술하라.

[그림 4-6] npn형 BJT 단자들과 단자간 전압, 단자 전류의 정의

3) BJT의 전압-전류 특성 (active mode) : 전압-전류 특성 곡선

본문내용

거의 linear 하게 나타난다. 그러나 그 이외의 범위에 대해서 점점 늘어나거나 줄어들다가 결국 약 +0.7V와 -0.7V에서 제한되는데, 이를 limiting 효과라 한다. 이는 PSPICE 특성상 이상적인 diode에 대한 limit 효과가 나타나므로 실제로는 약간의 전압 증가나 감소를 해당범위 이외의 구간에서 볼 수 있을 것으로 생각된다.
(2) BJT
1)* PSPICE 결과
* 저항 결정 요인:
=> 저항 값을 결정함에 있어 R1 = 10, R2 = 100k, R3 = 1k으로 결정한 이유는 먼저 R1의 경우 10이라는 비교적 작은 저항을 사용한 것은 Emitter쪽으로 흐르는 전류에 의한 전압 강하 양을 최대한 줄이기 위함이다. 이유인 즉, 와 를 같게 보기 위해서이다. 이론적으로 op amp의 (-) 입력단이 virtual ground이므로 R1에서의 전압 강하만 무시 할 수 있을 만큼 적다면 이러한 가정은 가능하다. 다음은 R2를 R3보다 100보 크도록 결정한 것은 일반적으로 =100이라고 했을 때 가 성립하므로 두 op amp의 output단에서 전압을 측정함에 있어 비슷한 order의 전압을 측정할 수 있음은 물론 값 역시 어림 짐작 할 수 있게 하기 위해서 이다.
2)* PSPICE 결과
(=5)
(=10)
(=15)
(=20)
* 저항 결정 요인:
=> 저항 결정에 있어 R1 = 500k, R2=10으로 한 이유를 설명하도록 하겠다. 먼저 R1의 경우, 를 조정함에 있어 base에서 들여다보았을 때 저항인 를 무시할 수 있을 만큼 큰 저항이 필요하다. 에 의한 효과는 가 커짐에 따라 줄어들게 된다. 이유인 즉, 이므로 가 증가하면 는 작아지게 된다. 따라서 =5uA일 때의 값에 의한 효과를 무시할 수 있도록 R1값을 설정하면 다른 값에 대해서는 생각해 주지 않아도 된다. =5uA일 때 =100이라면 는 50이 된다. 이 때 =5k이 된다. 따라서 R1 = 500k으로 잡으면 주어진 모든 경우에 있어 를 무시 할 수 있다. 다음은 R2를 비교적 작은 저항인 10으로 설정한 이유를 설명하도록 하겠다. 이 실험의 목적은 간의 전압-전류 특성을 측정하는 것에 있다. 실험의 편의를 위해 collector로 공급하는 전원의 전압이 와 같다는 근사를 사용하려고 한다. 그러기 위해선 저항 R2에 걸리는 전압이 작아야 하였고, 따라서 비교적 작은 저항인 10을 사용하였다. 전류의 측정에 있어 이 저항의 양단에 걸리는 전압을 재야한다는 점에서는 불편함이 있을 수 있지만 실험실에 구비된 오실로스코프를 이용하면 비록 그 크기는 작더라도 측정하는데 어려움이 없을 것으로 보인다.
회로구성
3)
* PSPICE 결과
(=5)
(=10)
(=15)
(=20)
4) 가 매우 작은 값이므로 무시한다고 했을 때 를 구하기 위해선 의 식을 이용하여야 한다. 이 식을 비추어 볼 때, k값의 증가는 값의 감소를 의미하게 된다. 값이 감소하면, 값도 감소하게 되는데 이는 BJT base와 emitter는 pn junction diode와 같아서 어느 일정 전압 이상이 걸려야 도통되어 전류가 정상적으로 흐르게 된다. 이 회로는 Active mode에서 동작하므로 와 사이에는 앞에서 설명한 전압 만큼에 차가 존재하게 되고 결과 그래프에서도 이를 알 수 있다. 의 감소는 에서 의 감소를 의미하며 이는 전 실험을 통해서 본 관계에 있어 의 감소를 의미한다. 는 로 표현할 수 있으므로 가 감소함에 따라 는 증가하게 된다. 이 또한 위의 결과 그래프를 통해 정확히 나타나있다.
5) 1. 각 node에서의 이론값을 가정하고 그것을 바탕으로 저항 값 설정
먼저 active mode에서 동작할 수 있도록 저항 값들을 결정하도록 한다. 첫 번째 BJT의 base전압이 1.2V라고 하면, 가 대략 0.7V 임을 감안할 때 emitter의 전압은 약 0.5V가 된다. 를 5mA라고 가정하면, 5mA이므로 값이 100으로 결정된다. 다음으로 base 전압 1.2V를 만족하도록 과 를 결정한다. 단순하게 voltage division에 의해 과 를 결정하기 위해서는 base로 흐르는 전류 가 무시할 수 있을 만큼 작아야 한다. 그러기 위해선 가 BJT를 base에서 들여다보았을 때의 저항인 보다 훨씬 작아 대부분의 전류가 로 흐르게 하여야 하므로 voltage dividing식인 을 만족하는 과 는 각 각 88과 12으로 설정해 준다. BJT가 안정적인 active mode에 있을 수 있도록 는 완전히 reverse bias가 걸리도록 한다. 적당하게 collector 전압이 2V가 되도록 저항 값을 결정하면 1.6k이 된다. 이와 같은 방식으로 두 번째 BJT의 저항 값을 결정한다. 우선 를 1.3mA로 가정하면 를 1k으로 설정해 줄 수 있고, 완전한 reverse bias가 걸리도록 collector 전압을 3V로 맞추면 값이 5.4k이 되어야 한다.
2. 이론적 설계를 바탕으로 한 PSPICE 결과(probe 로 측정)
6) 답] [저항 값 설정- = 1k]
[회로 분석]
이 회로는 pnp와 npn BJT를 cascode 형태로 연결하여 voltage buffer를 만든 것이다. small signal 측면에서 보면, 위 회로에서 출력저항이 두 BJT의 Emitter 쪽의 저항과 1k으로 설정한 저항의 병렬연결로 보인다. Emitter 쪽 저항이 매우 작으므로 이러한 병렬연결에 있어 Emitter 쪽 저항만 보이게 된다. 이는 output resistor가 작아야 한다는 조건을 잘 만족시키고 있다. 또한 입력저항은 각 BJT의 입력 저항의 두 배로 충분히 큰 값을 가짐을 알 수 있다.
* PSPICE를 통한 transfer curve 측정
위의 curve 그림을 통해 알 수 있듯이 약 input이 -0.7~0.7(V)의 구간에서는 output이 0(V)가 나오고 나머지 구간에서는 linear한 특성을 가짐을 볼 수 있다.
output이 0(V)가 나오는 경우는 BJT가 cutoff되는 경우이고 그 외에 linear한 특성을 보이는 region이 active mode로 작동하는 경우이다.

키워드

BJT,   diode,   전압,   전류,   특성,   KAIST,   도핑