바이폴라 접합 트랜지스터 회로에서 전류 미러 이해하기

BJT 전류 미러

전류 미러는 가장 널리 사용되는 BJT 회로 중 하나입니다. 이는 광범위한 부하 저항 범위에서 부하를 통해 거의 일정한 전류를 유지하는 단순하고 신뢰할 수 있는 전류 레귤레이터 역할을 합니다.

활성 모드에서 컬렉터 전류(I_C)는 베이스 전류(I_B)에 트랜지스터의 전류 이득 β를 곱한 값과 같습니다. 컬렉터-이미터 전류 비율은 α이며, β로부터 α = β/(β+1)로 유도됩니다. 이 관계는 고정된 베이스 전류가 I_C를 고정하는 것처럼, 트랜지스터가 활성 영역에 머무르는 한 고정된 이미터 전류도 I_C를 고정함을 보여줍니다.

BJT의 베이스-이미터 접합은 PN 다이오드처럼 동작합니다. 잘 알려진 다이오드 방정식은 주어진 순방향 전압과 온도에서 접합 전류를 예측합니다:

다이오드 방정식 공식

순방향 전압과 온도가 일정하게 유지되면 PN 접합 전류는 일정합니다. 따라서 일정한 베이스-이미터 전압(V_BE)을 유지하면 이미터 전류(I_E)가, 결과적으로 컬렉터 전류(I_C)가 트랜지스터가 활성 모드에 머무르기 위한 충분한 V_CE가 있는 한 일정하게 유지됩니다.

V_BE를 일정하게 유지하기 위해 순방향 바이어스된 다이오드를 베이스-이미터 접합과 병렬로 배치합니다:

다이오드는 약 0.7V 강하를 설정해 베이스 전압을, 따라서 베이스, 이미터, 컬렉터 전류를 안정시킵니다. 실제 전압은 전류와 온도에 따라 약간 변하지만, 다이오드와 트랜지스터의 베이스-이미터 접합이 동일한 PN 접합 물리학을 공유하므로 이미터 전류가 다이오드 전류를 가까이 따릅니다. 바이어스 저항(R_bias)을 조정하면 다이오드 전류가 변하고, 이는 직접 이미터와 컬렉터 전류를 설정합니다.

일반적인 BJT의 α가 1에 가까우므로 컬렉터 전류는 본질적으로 다이오드 전류를 미러링합니다. R_load를 통한 부하 전류는 따라서 바이어스 저항에 의해 설정되며, 전류 미러는 단일 저항으로 부하 전류를 조절하는 편리한 수단이 됩니다.

두 PN 접합의 더 타이트한 매칭을 위해 두 번째 트랜지스터가 다이오드를 대체해, 전류 미러 구성에서 매칭된 트랜지스터 쌍을 이룹니다:

온도 매칭이 중요한데 다이오드 방정식이 온도 의존적이기 때문입니다. 개별 소자는 백투백으로 접착할 수 있고, 집적 회로에서는 매칭된 트랜지스터를 가까이 배치해 동일 가열을 보장합니다.

두 NPN 트랜지스터로 표시된 토폴로지(Fig. a)는 전류 싱킹(sinking) 미러: 조절 트랜지스터가 부하에서 그라운드로 전류를 끌어당깁니다. 접지된 부하가 필요하면 PNP 트랜지스터를 사용한 전류 소싱(sourcing) 미러(Fig. b)를 쓸 수 있습니다.

IC 설계에서 저항은 종종 트랜지스터 기반 전류 소스로 대체됩니다. 단일 전압 레퍼런스가 여러 전류 미러를 구동할 수 있습니다: Q2, Q3, Q4가 같은 레퍼런스 전류를 공유하고, 부하 전류는 트랜지스터 면적에 비례해 스케일링됩니다. 예를 들어 면적이 2배인 트랜지스터는 2배 전류를 제공해 병렬 저항이 필요 없습니다.

전류 미러는 집적 증폭기에서 부하 소자로 자주 사용됩니다. 741 오피앰프에서 Q13의 미러가 Q15와 Q17의 저항 부하를 대체하는 것이 그 예로, 고밀도 IC에서 미러가 저항을 어떻게 대체하는지 보여줍니다.

복습:

• 전류 미러는 단순 바이어스 저항을 통해 부하 전류를 고정하는 트랜지스터 회로입니다.
• 정밀 동작을 위해 트랜지스터가 동일한 온도를 공유해야 합니다; 개별 부품은 접착, IC는 근접 배치로 동일 가열 보장.
• 전류 미러는 두 가지 기본 구성으로 나뉩니다: 전류 싱킹(NPN)과 전류 소싱(PNP).

관련 워크시트:

• 증폭기 회로의 액티브 로드 워크시트
• 차동 트랜지스터 증폭기 워크시트