트랜지스터를 전압증폭소자로 개선시킨 정전류달링톤트랜지스터

* 현재 사용되는 트랜지스터의 문제점

현재 모든 전자제품에 트랜지스터 소자를 사용하고 있으며 다음과 같은 문제점이 있습니다.

1. 트랜지스터의 비직선 특성을 개선하기 위해서 다량의 부궤환 공급.

2. 다량의 부궤환 공급에 의한 신호의 부자연스러움.

3. 다량의 부궤환을 공급을 하기 위해서 고 이득 설계에 따른 발진.

4. 발진을 방지하기 위한 발진 방지회로 추가.

5. 4항의 발진 방지회로에 의한 신호의 손실.

6. 4항의 발진 방지회로에 의한 상한 주파수대역의 좁아짐.

7. 1항과 4항에 의한 미세신호의 축소.

8. 비 직선특성인 트랜지스터 증폭소자에 의한 신호의 변형.

9. 트랜지스터의 베이스와 에미터의 저 임피던스에 의한 입력신호의 축소.

비직선특성과 입력임피던스가 낮은 트랜지스터를 사용하기 때문에 증폭기를 구성하기 위해서 여러 가지 방지회로를 추가함으로서 입력신호가 변형되고, 원가 상승의 원인이 되고 있습니다.

현재 증폭기를 구성할 때 많이 사용하는 오피앰프(OP-AMP)는 트랜지스터를 다량으로 사용하여 고 이득으로 설계되어 있는 것을 외부에서 다량의 부궤환을 걸어줌으로서 직선성을 확보하고 있고 주파수 대역을 넓게 하고 있습니다. 또한 발진을 방지하기위한 콘덴서 등을 설치함으로서 신호의 손실을 가져옵니다.

이러한 오피앰프로 아날로그 증폭기를 구성하지만 아직 입력신호를 충실히 증폭하는 만족한 제품은 없는 것으로 확인되고 있으며, 오디오 앰프 분야에서 이 문제점을 증명할 수 있습니다.

* 트랜지스터를 전압증폭소자로 개선시킨 정전류달링톤트랜지스터 (CCDT; Constant Current Darlington Transistor)

전류증폭특성에 의해서 비직선성 및 저입력임피던스 문제점을 가지고 있는 트랜지스터를 전압증폭소자로 개선시킨 정전류달링톤트랜지스터에 관한 기술입니다.

일반적인 달링톤트랜지스터에 정전압원과 저항을 추가하여 전압증폭소자로 개선하였으며, 입력 임피던스가 높고, 입력대 출력의 직선성이 양호합니다. 이러한 이유로 정전류달링톤트랜지스터에 입력된 신호는 고 입력임피던스에 의해서 축소되지 않고, 입출력사이의 직선성이 양호하여 충실하게 증폭하는 특징을 가지고 있습니다.

◦ 구 조

그림1의 (a)에서 Q1과 Q2는 기존의 달링톤트랜지스터와 같습니다. Q2의 에미터에 정전압원을 넣었으며, Q1의 에미터에는 저항을 넣었습니다. 여기서 Q2의 베이스와 에미터 간 전압 Vbe_Q2 와 정전압원 CV1로 이루어진 정전압원에 의해서 R1에 흐르는 전류는 항상 일정하도록 Q2가 제어를 해주는 것이 특징입니다. 그럼으로 Q1의 콜렉터-에미터 전류가 항상 일정하며, 따라서 Q1의 베이스전류도 일정합니다. 즉 Q1의 베이스전류가 일정하다는 것은 교류적으로 전류가 흐르지 않는 것과 같습니다. 즉 입력신호전압에 의한 신호전류는 Q1의 베이스로 흐르지 않습니다. 그래서 전압증폭소자로 동작하는 것입니다.

◦ 작동원리

그림2에서, IN1 의 입력신호가 상승하면 ibe1 이 증가하여 Q1의 ice1도 증가하게 된다. ice1은 대부분이 R1을 통과하며 iR1에 의해서 R1양단 전압이 상승하여 A 점의 전압이 높아진다. 또한 A 점이 상승한 것으로 Q2의 ibe2가 증가하여 Q2 콜렉터 전류 ice2도 증가하게 되고 Q2의 콜렉터와 에미터 간 임피던스가 낮아지게 된다. Q2의 에미터에 있는 정전압원의 양단 전압은 일정하므로 부하 LD1에 의하여 B점의 전위가 상승하고 C점도 같이 상승하게 된다. C점이 상승하면서 R1 양단의 전압이 다시 감소하여 iR1 전류가 감소하고 ice1도 같이 감소하여 ice1이 이전 상태를 유지하게 되며(R1의 정전류 동작), 이때 ibe1도 감소하여 이전상태를 유지한다. ice1 이 항상 일정하도록 Q2가 제어 해준다. 단지 입력신호가 상승했기 때문에 B 지점의 전압이 상승하는 변화만 있는 것이다.

CCDT의 특징은 다음과 같습니다.

1. 고 입력 임피던스.

2. 전압증폭 소자로서 동작한다.

3. 입력 대 출력의 넓은 범위의 직선성 증폭특성.

4. 입력 대 출력의 빠른 응답특성.

5. 구성 부품의 특성에 민감하게 변화하지 않는다.

6. 트랜지스터와 같은 저 소비전력.

7. 반영구적인 반도체 소자로 구성.

8. 트랜지스터와 같이 소형.

9. 현재의 증폭기 회로구조에 그대로 적용된다.

10. 구성 부품을 묶어 단일 소자로 반도체화가 가능하다.

정전류달링톤트랜지스터는 직선성이 양호하면서 고 입력임피던스 특성을 가진 증폭소자이기 때문에 다음과 같은 개선 효과가 있습니다.

1. 부궤환을 걸지 않아도 왜율이 현저히 낮음으로 부궤환을 많이 걸어줄 필요가 없다.

2. 1항에 의해서 증폭기를 고 이득으로 설계 할 필요가 없다.

3. 2항에 의해서 발진의 염려가 없어서 발진 방지회로가 필요 없다.

4. 3항에 의해서 신호의 손실이 없다.

5. 3항에 의해서 증폭기의 상한 주파수대역이 넓다.

6. 1항과 3항에 의해서 미세신호가 축소되지 않는다.

7. 입력임피던스가 매우 높아서 입력신호의 축소가 없다.