[첨단 헬로티] 

증폭기란 어떤 일을 하는가? 

모스(Morse) 전신기가 발명된 것은 1837년이다. 이 발명은 그 당시만 하더라도 획기적인 것으로 인기가 높았는데, 원리는 단순히 전류를 단속해 신호를 보내는 것에 지나지 않는 것이었다. 그러나 시대가 진보함에 따라 온도, 속도, 빛의 세기 등 온갖 물리적인 성질을 전기 신호로 변환 할 수 있게 되면서 전기의 이용도는 매우 넓어졌다.

그런데 이 신호를 담당하는데 절대적으로 필요한 것이 증폭기다. 신호로서 중요한 것은 우리가 이것을 감지해야 된다는 것이다. 이것을 위하여 신호에 일을 시킬 필요가 있다. 예를 들면 신호에 의해 스피커를 울리게 하던가, 기록계를 동작시키던가, 그와 같이 함으로써 우리는 확실히 신호가 무엇이지를 이해하게 될 것이다. 

작은 에너지의 진폭을 큰 에너지의 진폭으로 고칠 필요성이 있는 것은 이 때문인 것이다. 그 역할을 담당하는 것이 증폭이다. 실제 증폭기는 [그림 1]처럼 작은 입력신호를 큰 출력신호로 변환시켜 출력을 내는 것이다. 

▲ 그림 1. 증폭 회로의 동작

증폭기는 예를 들면 현미경이나 망원경과 견줄 수 있는 것으로서 작은 신호를 확대하는 전기적 현미경이라 말할 수 있다. 

증폭의 원리 

“신호를 증폭한다”라고 하면 무심코 신호 그 자체가 그대로 확대돼 지는 것으로 생각되기 쉽지만, 실제로는 전원에서 증폭회로에 공급(직류 전원)해 놓은 에너지를 작은 입력 신호에 의한 제어에 따라 큰 출력 신호의 형태로 변환하는 것이다. 

[그림 2]에 나타낸 것처럼 증폭회로의 구성을 예로 들어 설명하면, 신호원의 출력(mV)이 작으므로 이것을 어느 일정한 크기(500mV)로 증폭(전치 증폭기)하고, 스피커를 크게 울리게 하는데 필요한 전력을 주증폭기로 증폭한다.

▲ 그림 2. 증폭 회로의 구성

 

전자회로에서 사용하는 전압·전류의 기호 전자회로 속에는 전압이나 전류에 관련된 기호나 첨자가 많이 나타난다. 그것들은 어떤 의미를 가지고 있는 경우가 많으므로 회로 동작을 이해하는 면에서라도 잘 이해해 사용하기 바란다.  직류와 교류를 구별하기 위해 직류분은 대문자(VBE, VCE, IB, IC, …)로 표시하는데 반해, 교류분은 소문자(vi, vo, ii, io, …)로 나타낸다.  또 첨자에서도 vi는 입력 전압(i는 input의 머리 문자), 출력 전압 vo(o는 output의 머리 문자)와 같은 표현을 한다. 경우에 따라 직류 전류라 할지라도 그 변화분을 나타내고 싶을 때는 소문자를 사용하기도 한다.

hFE와 hfe 

트랜지스터는 베이스 전류 IB가 흐르면 hFE배의 컬렉터 전류 IC가 흐른다. 이 관계를 다음식과 같이 표시하고, 이것을 직류 전류 증폭률이라 한다. 

hFE = IC / IB

이것은 IB가 증폭돼 IC로 된다는 것을 나타낸다. 이와 같이 트랜지스터는 IB를 확대 증폭해 IC로 변환하는 소자이지만 IB가 직접 IC로 되는 것은 아니다. 이 일은 [그림 3]에서를 제거한다면 IC가 0이 되는 것으로도 알 수 있듯이 컬렉터 전류를 공급하는 전지의 전압 VCC에 의존하는 것이다. 

▲ 그림 3. 직류 전류 증폭률

hFE = IC / IB 라는 관계는 IB, IC의 변화분에 대해도 성립된다. 

[그림 4]와 같이 베이스에 미소한 전압 Vb를 가하면 베이스 전류 IB가 약간 변화하며, 동시에 컬렉터 전류 IC도 이에 상응하는 변화를 한다. 이때 IB와 IC 각각 변화분을 ΔIB, ΔIC라 하면 전류의 미소한 변화분에 대한 증폭률은 소문자 첨자 fe를 사용해 hfe로 나타낸다.

▲ 그림 4. 미소 변화분에 대한 증폭율

hFE와 hfe를 계산하는 방법 

전류를 미소 변화분에 대한 전류 증폭률 hfe는 소신호전류 증폭률, 또는 교류에 대한 전류증폭률이라고 부르기도 한다. hFE와 hfe와는 그 값을 약간 다르게 한다. [그림 5]의 VCE - IC 특성 곡선에 있어서 컬렉터 전압 VCE = 6V 일 때 A, B, C 각 점에서의 hfe를 구해보면 다음과 같이 된다.

▲ 그림 5. VCE - IC 특성

[그림 5]의 VCE - IC 특성을 근거로 IB - IC 특성을 그린 것이 [그림 6]이다. 

▲ 그림 6. IB - IC 특성

이것을 거의 직선적으로 비례하고 있는 것 같지만 조금 휘어져 있다. 이 그래프상에서 AB 간에 있어서의 hfe를 구해 보면 다음과 같다.

문제. [그림 6]의 IB - IC 특성에 있어서 D점의 hfe값 및 CD간의 hfe 값을 계산하라. 답. D점의  CD간의  (주의) [그림 6]의 기초로 하여 여러 가지의 hfe를 살펴보면 IC가 크게 될수록 hfe는 약간만 커진다는 것을 알 수 있다.

베이스 전류가 흐르기 위해서는

트랜지스터에 컬렉터 전류 IC를 흐르게 하기 위해서는 베이스 전류 IB가 필요하다. 그런데 [그림 7]에 있어서 베이스에 + 전압이 가해졌을 때는 IB가 흐르지만, - 의 전압이 가해졌을 때는 흐르지 못한다. 

▲ 그림 7. npn형 트랜지스터에 IB를 흐르게 한다.

현재 트랜지스터의 베이스 이미터간에 사인파 신호 전압만을 가했을 경우에도 베이스 전류는 신호파의 + 주기에만 흐르고, - 주기에는 흐르지 못한다.

그 때문에 ic = hfeib로 돼 hfe배의 증폭은 되지만, 컬렉터 전류 ic의 파형은 반대로 될 뿐이다.[그림 8] 

▲ 그림 8. 반파의 파형(켈렉터측)

파형을 사인파로 하기 위해서는 

출력(케렉터측)에서 사인파 출력을 얻기 위해서는 신호 전압(사인파 전압)이 변화하는 기간 중 어느 순간에 있어서도 베이스에 + 전압이 걸려 있어야 한다. 이와 같이 되기 하려면 [그림 9]와 같이 신호전압과 직렬로 직류 전원을 접속해 항상 베이스가 양이 되도록 합성 전압을 고려해야 된다. 사인파형 신호 전압의 변화 기간을 모두 ib가 흐를 수 있도록 하면 컬렉터측의 출력 파형도 사인파형이 된다.

▲ 그림 9. 렉터 전류를 입력파형에 비례하게 한다.

바이어스란 무엇인가 

이런 것들로부터 트랜지스터는 직류분과 교류분이 겹쳐져서 동작되고 있다는 것을 알 수 있었으나, 이와 같이 직류 전압을 가해 일정 전류를 흐르게 함으로써 입력 신호의 기준점이 되게하는 것을 바이어스(Bias)라 한다. 

바이어스는 트랜지스터를 동작시키는데 있어 중요한 것으로서 적당한 바이어스를 걸어주지 않으면 출력 파형이 [그림 10]처럼 일그러진다. 일정 전류를 흘려 기준점을 정한 것을 바이어스 전류라고 하며, 전류를 걸어서 기준점을 정한 것을 바이어스 전압을 가한다고 한다.

▲ 그림 10. 부적정한 바이어스에 의한 일그러짐 파평

바이어스를 거는 방법 

[그림 9]처럼 바이어스를 걸기 위해 직류 전원을 신호 전압에 직렬로 접속하는 방법은 바이어스 전압이 지나치게 걸릴 위험도 생긴다. 또 신호원 저항이 영향을 받는다던가, 회로 구성상 불편한 점이 있다. 

그러므로 실제로는 [그림 11]처럼 직류 전원 VB에 직렬로 저항 RB를 접속해 IB를 알맞은 값이 되도록 조정할 수 있게 한다. 콘덴서 C는 직류 전류가 신호원 쪽으로 흐르지 못하게 하는 역할을 한다. 

▲ 그림 11. 저항 RB를 사용해 바이어스를 거는 방법

* ‌전자기술이 반도체의 기초지식과 기술 이해를 돕기 위해 성안당의 <전자공학입문>을 연재합니다. <편집자 주>