전압 추종자 증폭기: 설계, 제작 및 측정 가이드

부품 및 재료

• NPN 트랜지스터 1개 — 2N2222 또는 2N3403 권장. 15개 팩(Radio Shack #276-1617)이 이 프로젝트와 다른 프로젝트에 이상적.
• 6V 배터리 2개
• 1kΩ 저항 2개
• 10kΩ 단일 회전 선형 전위차계 1개 (Radio Shack #271-1715)

트랜지스터 핀아웃은 외관이 같은 패키지라도 다를 수 있습니다. 배선 전 반드시 제조사 데이터시트를 참조하세요. 멀티미터 다이오드 체크 기능으로 빠르게 검증하는 것이 매우 권장됩니다.

멀티미터로 바이폴라 트랜지스터 단자 식별하는 단계별 가이드는 Semiconductor Volume III 시리즈 4장을 참조하세요.

참조 자료

Lessons In Electric Circuits, Volume 3, Chapter 4: "Bipolar Junction Transistors" (바이폴라 접합 트랜지스터)

학습 목표

• 대지 접속이 없을 때 회로 "그라운드"의 역할 이해
• 션트 저항으로 전류를 전압계로 측정
• 증폭기 전압 이득 결정
• 증폭기 전류 이득 결정
• 증폭기의 임피던스 변환 탐구

회로도

 

 

실물 배선도

 

 

실험 방법

선택한 트랜지스터가 여기 표시된 핀아웃을 공유하지 않을 수 있으므로, 그림의 브레드보드 레이아웃은 조정이 필요할 수 있습니다. 그림에서 모든 TO-92 트랜지스터는 왼쪽부터 "CBE" — 컬렉터, 베이스, 이미터 — 로 라벨되어 있습니다. 이는 2N2222 등에는 적용되지만 모든 NPN 소자에 적용되지는 않습니다. 사용하는 특정 부품의 핀 할당을 확인하세요.

바이폴라 접합 트랜지스터로 멀티미터가 핀아웃을 빠르게 확인할 수 있습니다. 전압 추종자는 제작이 가장 간단하고 안전한 트랜지스터 증폭기입니다.

그 목적은 입력과 같은 전압을 부하에 전달하되, 전류 능력은 훨씬 높게 하는 것입니다. 전압 이득은 없지만 상당한 전류 이득을 제공합니다.

회로도에서 전원 음극이 "그라운드"로 표시되어 있습니다. 이 기준점은 반드시 대지(어스)와 연결될 필요는 없으며, 단순히 회로의 전압 기준선을 정의합니다.

예를 들어 베이스 전압(V_B)은 이 그라운드 기준에 상대적으로 측정됩니다. 단일 지점의 전압을 말하는 것은 보통 무의미하지만, 공통 기준점이 있으면 그런 진술이 유용해집니다.

 

 

회로를 구성하고 여러 전위차계 설정에서 출력 전압 대 입력 전압을 기록하세요. 입력 전압은 전위차계 와이퍼의 그라운드 대비 전압이고, 출력 전압은 부하 저항(또는 이미터 전압) 양단 전압입니다.

입력 변화에 거의 같은 크기로 출력이 따라가는 것을 관찰할 수 있으며, 트랜지스터 포화로 인한 약간의 강하(~0.6V)가 있습니다. 이 1:1 관계는 AC 전압 이득이 약 1(유니티)임을 나타냅니다.

다음, 베이스 전류(입력)와 부하 전류(출력)를 비교하세요. 전류계를 삽입하는 대신 1kΩ 저항 양단 전압을 측정하고 옴의 법칙(I = E/R)을 사용하세요. 1kΩ 저항이면 전압 강하 1V당 1mA가 흐릅니다.

최대 정확도를 위해 각 저항 실측값을 쓰세요. 다만 이 실험에서는 편차가 보통 무시할 만합니다. 이 션트 저항들이 전류를 측정 가능한 전압으로 변환합니다.

입력 전류와 출력 전류 사이에 큰 차이가 있음을 발견할 것입니다 — 저신호 레벨에서 전류 이득이 200을 넘는 경우가 흔합니다. 이것이 전압 추종자의 핵심 장점: 전압을 바꾸지 않고 전류를 증폭합니다.

임피던스 관점에서, 증폭기는 높은 입력 임피던스(최소 전류 소모)와 낮은 출력 임피던스(대전류 공급 능력)를 보입니다. 이는 단간 신호 버퍼링에 이상적입니다.

컴퓨터 시뮬레이션

노드 번호가 표시된 SPICE 회로도:

 

 

넷리스트 (다음 텍스트를 .cir 파일에 복사해 SPICE로 실행):

Voltage follower
v1 1 0
rpot1 1 2 5k
rpot2 2 0 5k
rbase 2 3 1k
rload 4 0 1k
q1 1 3 4 mod1
.model mod1 npn bf=200
.dc v1 12 12 1
.print dc v(2,0) v(4,0) v(2,3)
.end

시뮬레이션 출력: 입력 전압 5.937V, 출력 5.095V, 입력 전류 25.35µA(1kΩ 베이스 저항), 출력 전류 5.095mA(1kΩ 부하). 전위차계 값(R_pot1, R_pot2)을 합이 10kΩ로 유지하며 조정하면 입력 전압이 그에 따라 변합니다.

관련 워크시트:

• Bipolar Transistor Biasing Circuits Worksheet