BJT 바이어싱 기법: 클래스 A, B, AB, C, D 증폭기 마스터하기

이 장의 공통 에미터 섹션에서 SPICE 시뮬레이션은 반파 정류된 출력을 보였습니다: 트랜지스터가 입력 주기의 절반 동안 활성 영역에 머무르지 못했습니다. 전체 파형을 보존하기 위해 작은 바이어스 전압을 도입하여 트랜지스터가 주기 내내 활성 모드에 있도록 했습니다. 이 바이어스 전압은 많은 증폭기 클래스에 필수적입니다.

일부 시나리오에서는 반파 출력이 의도적입니다. 특정 애플리케이션은 A, B, C, AB 문자로 표시되는 특정 동작 클래스를 요구하는데, 여기서 증폭기는 입력 파형의 일부만 재생합니다. 각 클래스에 대한 간략한 개요는 다음과 같습니다.

증폭기 클래스 개요

클래스 A

클래스 A에서 트랜지스터는 전체 입력 주기 동안 전도하며, 차단이나 포화에 도달하지 않습니다. DC 바이어스는 트랜지스터를 차단과 포화의 정확히 중간에 위치시켜, AC 신호를 증폭기의 상하 한계 중앙에 놓습니다. 이는 입력 파형의 충실한 재생을 산출합니다.

클래스 B

클래스 B 증폭기는 DC 바이어스 없이 공통 에미터 구성을 최초로 사용했습니다. 트랜지스터는 절반 주기만 전도하여 반파 출력을 생성합니다. 단일 클래스 B 스테이지는 단독으로 거의 쓸모 없지만, 푸시풀 쌍(두 상보 트랜지스터)은 양과 음의 절반을 별도로 처리합니다. 결합하면 전체 파형을 재생하면서 클래스 A보다 높은 출력 전력과 낮은 발열을 제공합니다.

클래스 AB

클래스 AB는 클래스 A와 B 사이입니다. 트랜지스터는 주기의 50% 이상 100% 미만 동안 전도하여 선형성과 효율의 균형을 맞춥니다. 클래스 A 대비 베이스를 약간 음으로 바이어스하면 트랜지스터가 차단에서 보내는 시간이 줄어들지만, 순수 클래스 B의 심한 왜곡은 피합니다.

클래스 C

클래스 C 동작은 반 주기 미만(<180°) 동안 전도합니다. 출력이 심하게 클리핑되지만, 공진 탱크 회로(병렬 LC)와 결합하면 증폭기의 "킥"이 고주파 발진을 유지합니다. 이 구성은 FM 라디오 등 고정 주파수 RF 송신기에 이상적이며, 높은 전력 효율이 가장 중요합니다.

클래스 D

클래스 D 증폭기는 근본적으로 다릅니다: 출력 트랜지스터는 차단 또는 포화 상태에서만 구동되어, 듀티 사이클이 입력 진폭과 일치하는 고주파 사각파를 생성합니다. 로우패스 필터링 후 출력은 원본 파형을 근사합니다. 이 토폴로지는 발열을 최소화하고 매우 높은 효율을 달성하여 고전력 오디오 및 산업용 인버터 애플리케이션에 흔히 쓰입니다.

정지 전류와 부하선

정지 전류는 입력이 0일 때 흐르는 정상 전류입니다. 클래스 A에서는 포화 전류의 절반이고, 클래스 B와 C는 0이며, 클래스 AB는 차단 바로 위에 있습니다. 부하선(컬렉터-이미터 전압 대 컬렉터 전류 그래프)은 주어진 부하 저항에 대한 트랜지스터의 동작점을 보여줍니다. 클래스 A에서는 정지점이 부하선의 중간에 위치하여 선형 동작을 보장하고 포화를 피합니다.

전압 분할기를 이용한 실용적 바이어싱

별도 배터리로 바이어스를 제공하는 것은 배터리 전압이 시간에 따라 드리프트하므로 비현실적입니다. 대신 메인 전원에 걸린 전압 분할기로 필요한 바이어스를 생성할 수 있습니다. 예를 들어 15V 전원에서 R₂=8.466kΩ, R₃=1.533kΩ을 선택하면 R₃에 2.3V가 걸립니다. 그러나 AC 입력을 R₃에 직접 걸면 바이어스 전압이 단락됩니다. 신호 소스와 분할기 사이에 커플링 커패시터를 두면 DC는 차단되고 AC는 통과하여 적절한 바이어싱이 가능합니다.

중첩 분석에 따르면 AC 성분은 커패시터를 통해 R₃로 전달되고, DC 분할기는 바이어싱 중 분리됩니다. 결과적으로 원하는 2.3V DC에 1.5V AC 신호가 더해집니다.

분할기 바이어스 증폭기의 SPICE 시뮬레이션:

 voltage divider biasing vinput 1 0 sin (0 1.5 2000 0 0) c1 1 5 100u r1 5 2 1k r2 4 5 8466 r3 5 0 1533 q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.78m .plot tran v(1,0) i(v1) .end 

초기 시뮬레이션은 트랜지스터 베이스가 전압 분할기를 로드하여 왜곡을 보입니다. R₂와 R₃를 조정(예: R₂=6kΩ, R₃=4kΩ)하면 2.3V 바이어스가 복원되고 왜곡이 제거됩니다.

 voltage divider biasing vinput 1 0 sin (0 1.5 2000 0 0) c1 1 5 100u r1 5 2 1k r2 4 5 6k <--- R2 decreased to 6 k r3 5 0 4k <--- R3 increased to 4 k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.78m .plot tran v(1,0) i(v1) .end 

핵심 요약

• 클래스 A – 전체 주기 전도; 정확한 파형 재생; 높은 발열.
• 클래스 B – 반 주기 전도; 푸시풀 쌍으로 효율적; 고전력 오디오에 적합.
• 클래스 AB – 하이브리드; 선형성과 효율의 균형.
• 클래스 C – 고정 주파수 RF에 초고효율; 공진 탱크 회로 필요.
• 클래스 D – 고주파 PWM; 최소 활성 모드 소산; 오디오 및 산업 인버터에 탁월한 효율.
• 커플링 커패시터가 있는 전압 분할기 바이어싱이 외부 배터리보다 안정성 면에서 선호됩니다.

관련 워크시트

• 양극성 트랜지스터 바이어싱 회로 워크시트
• Class A BJT 증폭기 워크시트
• Class B BJT 증폭기 워크시트
• 양극성 접합 트랜지스터(BJT) 이론 워크시트