액티브 모드 작업(BJT)

트랜지스터가 완전히 꺼진 상태(개방 스위치와 같이)에 있을 때 컷오프 . 반대로, 이미 터와 컬렉터 사이에서 완전히 전도성일 때(컬렉터 전원 공급 장치와 부하가 허용하는 한 많은 전류를 컬렉터를 통해 통과) 포화라고 합니다. . 다음은 두 가지 작동 모드 입니다. 지금까지 트랜지스터를 스위치로 사용하는 방법을 살펴보았습니다.

그러나 바이폴라 트랜지스터는 이러한 두 가지 극단적인 작동 모드로 제한될 필요는 없습니다. 이전 섹션에서 배웠듯이 베이스 전류는 컬렉터를 통한 제한된 양의 전류에 대해 "게이트를 엽니다". 제어된 전류에 대한 이 제한이 0보다 크지만 전원 공급 장치 및 부하 회로에서 허용하는 최대값보다 작은 경우 트랜지스터는 차단과 포화 사이의 어딘가에 있는 모드에서 컬렉터 전류를 "스로틀"합니다. 이 작동 모드를 활성 모드.

컷오프, 채도 및 활성 모드

트랜지스터에 대한 자동차 비유 작업은 다음과 같습니다.

차단 모드 - 자동차의 기계 부품이 자동차를 움직이게 하는 원동력이 발생하지 않는 상태입니다. 차단 모드에서는 브레이크가 작동하여(제로 베이스 전류) 움직임을 방지합니다(컬렉터 전류).

활성 모드 - 운전자가 지시한 대로 일정하고 제어된 속도(일정하고 제어된 컬렉터 전류)로 순항하는 자동차입니다.

S 숙도 - 운전자가 원하는 대로 빨리 가지 못하게 하는 가파른 언덕을 오르내리는 자동차. 다시 말해, "포화" 자동차는 가속 페달을 밟은 자동차입니다(기본 전류는 전원 공급 장치/부하 회로에서 제공할 수 있는 것보다 더 많은 컬렉터 전류를 필요로 함). 트랜지스터가 활성 작동 모드에 있을 때 어떤 일이 발생하는지 보여주기 위해 SPICE 시뮬레이션을 위한 회로를 설정해 보겠습니다. (아래 그림)

<사전> 바이폴라 트랜지스터 시뮬레이션 i1 0 1 dc 20u q1 2 1 0 mod1 전류계 3 2 DC 0 v1 3 0 dc .model mod1 npn .dc v1 0 2 0.05 .plot dc i(전류계) .끝

"활성 모드" SPICE 시뮬레이션용 회로 및 넷리스트.

"Q"는 개략도에서 트랜지스터의 표준 문자 지정이며, "R"은 저항이고 "C"는 커패시터입니다. 이 회로에는 배터리(V1)로 전원이 공급되고 전류 소스를 통한 전류로 제어되는 NPN 트랜지스터가 있습니다. (I1).

전류 소스는 특정 양의 전류를 출력하는 장치로, 이를 통해 정확한 양의 전류가 흐르도록 하기 위해 단자에서 많은 양의 또는 적은 양의 전압을 생성합니다. 전류 소스는 자연에서 찾기가 매우 어렵지만(반대로 일정한 전압을 유지하려고 시도하고 해당 작업을 수행할 때 많은 전류를 출력하거나 적은 전류를 출력하는 전압 소스와 달리) 전자 부품의 작은 컬렉션으로 시뮬레이션할 수 있습니다. . 곧 살펴보겠지만 트랜지스터 자체는 조절 하는 능력에서 전류 소스의 정전류 동작을 모방하는 경향이 있습니다. 고정 값의 전류

SPICE 시뮬레이션에서 전류 소스(I1)를 20µA의 일정한 값으로 설정한 다음 전압 소스(V1)를 0~2V 범위에서 변경하고 전류가 얼마나 흐르는지 모니터링합니다. 위 그림에서 출력이 0V인 "더미" 배터리(Vammeter)는 SPICE에 전류 측정을 위한 회로 요소를 제공하는 역할만 합니다.

20μA에서 기본 전류 상수가 있는 스위핑 컬렉터 전압 0~2V는 포화 영역에서 일정한 2mA 컬렉터 전류를 생성합니다.

20μA의 일정한 기본 전류는 정확히 100배인 2mA의 컬렉터 전류 제한을 설정합니다. 0~2V의 배터리 전압 범위에서 컬렉터 전류에 대한 곡선이 얼마나 평평한지(위 그림) 확인하십시오. 이 기능이 없는 플롯의 유일한 예외는 배터리가 0볼트에서 0.25볼트로 증가하는 맨 처음에 있습니다. 거기에서 컬렉터 전류는 0A에서 2mA의 한계까지 빠르게 증가합니다.

배터리 전압을 더 넓은 범위(이번에는 0볼트에서 50볼트)로 변경하면 어떤 일이 발생하는지 봅시다. 기본 전류를 20µA로 일정하게 유지합니다. (아래 그림)

<사전>바이폴라 트랜지스터 시뮬레이션 i1 0 1 dc 20u q1 2 1 0 mod1 전류계 3 2 DC 0 v1 3 0 dc .model mod1 npn .dc v1 0 50 2 .plot dc i(전류계) .끝

기본 전류가 20µA인 상태에서 컬렉터 전압 0~50V를 스윕하면 2mA의 컬렉터 전류가 일정하게 생성됩니다.

같은 결과! 위 그림의 컬렉터 전류는 2mA에서 일정하게 유지되지만 배터리(v1) 전압은 0V에서 50V까지 다양합니다. 컬렉터-이미터 전압은 매우 낮은 수준(0볼트 바로 위)을 제외하고는 컬렉터 전류에 거의 영향을 미치지 않는 것으로 시뮬레이션에서 나타납니다. 트랜지스터는 전류 조정기 역할을 하여 컬렉터를 통해 정확히 2mA를 허용하고 그 이상은 허용하지 않습니다.

이제 제어(I1) 전류를 20µA에서 75µA로 증가시키고 배터리(V1) 전압을 0에서 50V로 다시 한 번 스위핑하고 아래 그림에서 컬렉터 전류를 그래프로 나타내면 어떻게 되는지 봅시다.

<사전>바이폴라 트랜지스터 시뮬레이션 i1 0 1 dc 75u q1 2 1 0 mod1 전류계 3 2 DC 0 v1 3 0 dc .model mod1 npn .dc v1 0 50 2 i1 15u 75u 15u .plot dc i(전류계) .끝

기본 전류가 75μA로 일정하고 컬렉터 전압 0 ~ 50V(.dc v1 0 50 2)를 스윕하면 7.5mA의 컬렉터 전류가 일정하게 생성됩니다. 다른 곡선은 DC 분석 문(.dc v1 0 50 2 i1 15u 75u 15u)의 전류 스윕(i1 15u 75u 15u)에 의해 생성됩니다.

당연하게도 SPICE는 유사한 플롯을 제공합니다. 이번에는 7.5mA(기본 ​​전류의 정확히 100배)로 일정하게 유지되는 평평한 선을 0V 바로 위부터 50V까지의 배터리 전압 범위에 걸쳐 유지합니다. 베이스 전류가 콜렉터 전류의 결정 요인인 것으로 보이며, V1 배터리 전압은 특정 최소 레벨 이상인 한 관련이 없습니다.

이 전압/전류 관계는 우리가 저항에서 보는 것과 완전히 다릅니다. 저항을 사용하면 저항 양단의 전압이 증가함에 따라 전류가 선형으로 증가합니다. 여기에서 트랜지스터를 사용하면 에미터와 컬렉터의 전압이 아무리 높아도 에미터에서 컬렉터로 흐르는 전류가 고정된 최대값으로 제한됩니다.

종종 아래 그림과 같이 동일한 그래프에 서로 다른 베이스 전류에 대한 여러 컬렉터 전류/전압 그래프를 중첩하는 것이 유용합니다. 특정 트랜지스터에 대해 이와 같은 곡선 모음(각각의 고유한 기본 전류 수준에 대해 하나의 곡선으로 표시됨)을 트랜지스터의 특성 곡선이라고 합니다. :

다양한 기본 전류에 대한 컬렉터 전류 대 컬렉터-이미터 전압.

그래프의 각 곡선은 주어진 기본 전류 양에 대해 컬렉터-이미터 전압 범위에 대해 표시된 트랜지스터의 컬렉터 전류를 반영합니다. 트랜지스터는 전류 조정기 역할을 하는 경향이 있어 컬렉터 전류를 베이스 전류에 의해 설정된 비율로 제한하므로 이 비율을 표준 트랜지스터 성능 척도로 표현하는 것이 유용합니다. 특히, 베이스 전류에 대한 컬렉터 전류의 비율은 베타로 알려져 있습니다. 비율(그리스 문자 β로 표시):

때때로 β 비율은 "h로 지정됩니다. 페 ,” "하이브리드 매개변수로 알려진 수학적 반도체 분석의 한 분야에서 사용되는 레이블 "는 상세한 방정식으로 트랜지스터 성능의 정확한 예측을 달성하기 위해 노력합니다. 하이브리드 매개변수 변수는 많지만 각각 일반 문자 "h"와 특정 첨자로 레이블이 지정됩니다. 변수 "hfe"는 베이스 전류에 대한 컬렉터 전류의 비율을 표현하는 또 다른 (표준화된) 방법이며 "β"와 상호 교환 가능합니다. β 비는 단위가 없습니다.

모든 트랜지스터의 β는 설계에 따라 결정됩니다. 제조 후에는 변경할 수 없습니다. β에 영향을 미치는 물리적 변수 때문에 동일한 디자인의 두 트랜지스터가 정확히 일치하는 경우는 드뭅니다. 회로 설계가 여러 트랜지스터 간의 동일한 β 비율에 의존하는 경우 트랜지스터의 "일치된 세트"를 추가 비용으로 구입할 수 있습니다. 그러나 일반적으로 이러한 종속성을 가진 회로를 엔지니어링하는 것은 나쁜 설계 관행으로 간주됩니다.

트랜지스터의 β는 모든 작동 조건에서 안정적으로 유지되지 않습니다. . 실제 트랜지스터의 경우 β 비율은 작동 전류 제한 내에서 3배 이상 변할 수 있습니다. 예를 들어, 광고된 β가 50인 트랜지스터는 컬렉터 전류의 양, 트랜지스터의 온도 및 증폭된 신호의 주파수에 따라 30만큼 낮고 100만큼 높은 Ic/Ib 비율로 테스트할 수 있습니다. 튜토리얼 목적으로 주어진 트랜지스터에 대해 일정한 β를 가정하는 것이 적절합니다. 실생활이 그렇게 간단하지 않다는 것을 깨달으십시오!

때로는 더 간단하고 더 잘 이해되는 구성 요소 모음으로 복잡한 전자 구성 요소를 "모델링"하는 것이 이해에 도움이 됩니다. 아래 그림의 모델은 전자공학 입문서에 많이 사용됩니다.

기본 다이오드 저항 트랜지스터 모델.

이 모델은 트랜지스터를 다이오드와 가변 저항(가변 저항)의 조합으로 주조합니다. 베이스-이미터 다이오드를 통한 전류는 컬렉터-이미터 가변 저항(두 구성요소를 연결하는 파선으로 암시됨)의 저항을 제어하여 컬렉터 전류를 제어합니다. NPN 트랜지스터는 그림과 같이 모델링되었지만 PNP 트랜지스터는 약간만 다릅니다(베이스 에미터 다이오드만 반전됨).

이 모델은 트랜지스터 증폭의 기본 개념인 기본 전류 신호가 컬렉터 전류를 제어하는 ​​방법을 설명하는 데 성공했습니다. 그러나 이 모델은 주어진 기본 전류량에 대해 설정된 컬렉터-이미터 저항의 개념을 잘못 전달합니다. 이것이 사실이라면 트랜지스터는 조절하지 않을 것입니다. 특성 곡선에서 볼 수 있듯이 컬렉터 전류가 전혀 없습니다. 컬렉터-이미터 전압이 증가함에 따라 잠시 상승한 후 컬렉터 전류 곡선이 평평해지는 대신, 컬렉터 전류는 그래프에서 직선으로 꾸준히 상승하여 컬렉터-이미터 전압에 정비례합니다.

고급 교과서에서 자주 볼 수 있는 더 나은 트랜지스터 모델이 아래 그림에 나와 있습니다.

트랜지스터의 전류 소스 모델.

이것은 트랜지스터를 다이오드와 전류 소스의 조합으로 캐스팅하며, 전류 소스의 출력은 기본 전류의 배수(β 비율)로 설정됩니다. 이 모델은 트랜지스터의 실제 입/출력 특성을 묘사하는 데 훨씬 더 정확합니다. 기본 전류는 일정량의 콜렉터 전류를 설정합니다. , 컬렉터-이미터 저항보다는 첫 번째 모델이 암시하듯이. 또한 이 모델은 트랜지스터 회로에 대한 네트워크 분석을 수행할 때 선호되며, 전류 소스는 잘 알려진 이론적 구성 요소입니다. 불행히도 트랜지스터의 전류 제어 동작을 모델링하기 위해 전류 소스를 사용하는 것은 오해의 소지가 있을 수 있습니다. 트랜지스터는 절대 소스 역할을 하지 않습니다. 전기 에너지의. 전류 소스는 에너지 소스가 증폭기와 유사한 외부 전원 공급 장치라는 사실을 모델링하지 않습니다.

검토:

<울>

트랜지스터는 활성 상태라고 합니다. 완전히 켜짐(포화)과 완전히 꺼짐(차단) 사이에서 작동하는 경우 모드입니다.

베이스 전류는 컬렉터 전류를 조절합니다. 규제 , 우리는 기본 전류가 허용하는 것보다 더 이상 컬렉터 전류가 존재할 수 없음을 의미합니다.

컬렉터 전류와 베이스 전류의 비율을 "베타"(β) 또는 "hfe"라고 합니다.

β 비율은 트랜지스터마다 다르며

β는 다양한 작동 조건에 따라 변경됩니다.

관련 워크시트:

<울>

활성 모드 워크시트의 양극성 접합 트랜지스터