트랜지스터의 단점을 보완하는 기술 – 제2부

트랜지스터의 단점을 보완하는 기술 제2부에서는 실제 증폭회로에서 트랜지스터의 단점을 분석하며, 개선하는 방법을 알아 봅니다.

아래 증폭회로는 정전류부하를 사용하는 1단 증폭회로입니다.

트랜지스터 Q12의 베이스에는 정상적인 바이어스가 공급되고 있고 컬랙터(출력단자; OUT1) 전압이 전원전압(VPP1과 VNN1의 합)의 1/2 이라고 가정합니다.

 

[그림 21]

제12트랜지스터(Q12)에 입력신호에 따른 동작을 설명하면

입력 IN1에 입력신호가 + 극성의 신호가 입력되면, 제12트랜지스터(Q12)의 베이스전류가 증가하여 제12트랜지스터(Q12)의 컬랙터와 에미터 사이의 임피던스가 감소하고 정전류부하(CC11)의 전류는 일정한 전류가 흐르려고 하여 제1노드(A1) 전압이 낮아집니다. (동작 1)

입력 IN1에 입력신호가 - 극성의 신호가 입력되면, 제12트랜지스터(Q12)의 베이스전류가 감소하여 제12트랜지스터(Q12)의 컬랙터와 에미터간 임피던스가 증가하고 정전류부하(CC11)의 전류는 일정한 전류가 흐르려고 하여 제1노드(A1) 전압이 높아집니다. (동작 2)

제11트랜지스터(Q11)에 의해서 제어잡음이 발생하는 동작을 설명하면

동작 1에서 제1노드(A1)의 전압이 일시적으로 낮아지면 제11트랜지스터(Q11)의 컬랙터 전압 즉 제1노드(A1)의 전압이 낮아지기 전까지(회로 및 회로소자의 분포용량 등 원인에 의해서 전압의 변화에 지연이 생긴다) 제1노드(A1)의 전압은 직전 상태로 유지되지만 제12트랜지스터(Q12)의 컬랙터에는 지속적으로 전류가 흐르고 이후 시간이 지나면 제11트랜지스터(Q11)의 컬랙터 전압 즉 제1노드(A1)의 전압이 낮아지면서 정상 상태로 됩니다.

동작 2에서는 제1노드(A1)의 전압이 일시적으로 높아지면 제11트랜지스터(Q11)의 컬랙터 전압 즉 제1노드(A1)의 전압이 높아지기 전까지(회로 및 회로소자의 분포용량 등 원인에 의해서 전압의 변화에 지연이 생긴다) 제1노드(A1)의 전압은 직전 상태로 유지되며, 제12트랜지스터(Q12)의 컬랙터에 전류 흐름이 차단되어 플로팅 상태로 됩니다. (동작 3) 

이후 시간이 지나면 제11트랜지스터(Q11)의 컬랙터 전압 즉 제1노드(A1)의 전압이 높아지면서 제12트랜지스터(Q12)의 컬랙터에 전류가 흐르면서 정상 상태로 됩니다.

여기서, 동작 3의 상태일 경우 제12트랜지스터(Q12)의 컬랙터는 개방상태로 되며, 제11트랜지스터(Q11)의 컬랙터도 개방상태로 되어 제1노드(A1)의 전압은 플로팅 상태가 됨으로써 출력전압이 비정상적인 전압으로 변경될 수 있으며, 주위의 잡음 등에 의해서 영향을 받을 수 있어서 출력신호에 잡음으로 나타날 수 있습니다.

이 잡음은 정전류 부하에 의한 제어잡음의 일례입니다.

예를 들면 오디오 증폭기에서는 매우 자극적인 소리로 음향에 섞여 들리게 되며 오래 듣지 못하며 쉽게 피곤해지는 문제점이 있습니다.

아래 그림은 정전류 부하에 의한 제어잡음이 발생하지 않도록 개선된 회로도 입니다.

[그림 22]

제22트랜지스터(Q22)에 입력신호에 따른 동작을 다시 설명하면

그림22에서

입력 IN2에 입력신호가 + 극성의 신호가 입력되면, 제22트랜지스터(Q22)의 베이스전류가 증가하여 제22트랜지스터(Q22)의 컬랙터와 에미터 사이의 임피던스가 감소하고, 정전류부하(CC21)의 전류는 일정한 전류가 흐르려고 하여 제2노드(A2)의 전압이 낮아지려고 하며, 제21트랜지스터(Q21)의 컬랙터 전압 즉 제2노드(A2)의 전압이 낮아지기 전까지(회로 및 회로소자의 분포용량 등 원인에 의해서 전압의 변화에 지연이 생긴다) 제2노드(A2)의 전압은 직전 상태로 유지되며 제22트랜지스터(Q22)의 컬랙터에는 지속적으로 전류가 흐르고, 이후 시간이 지나면 제2노드(A2)의 전압이 낮아지면서 정상 상태로 되어 정상적인 증폭동작을 합니다. (동작 21)

그러나 입력 IN2에 입력신호가 - 극성의 신호가 입력되면, 제22트랜지스터(Q22)의 베이스전류가 감소하여 제22트랜지스터(Q22)의 컬랙터와 에미터간 임피던스가 증가하고, 정전류부하(CC21)의 전류는 일정한 전류가 흐르려고 하여 제2노드(A2)의 전압이 높아지려고 하며, 제21트랜지스터(Q21)의 컬랙터 전압 즉 제2노드(A2)의 전압이 높아지기 전까지(회로 및 회로소자의 분포용량 등 원인에 의해서 전압의 변화에 지연이 생긴다) 제2노드(A2)의 전압은 직전 상태로 유지되며, 제22트랜지스터(Q22)의 컬랙터에 전류 흐름이 차단되어 플로팅 상태로 되어 제22트랜지스터(Q22)의 컬랙터는 개방상태로 되며, 제21트랜지스터(Q21)의 컬랙터도 개방상태로 되어 제2노드(A2)의 전압은 플로팅 상태가 됨으로써 (동작 22) 출력전압이 비정상적인 전압으로 변경될 수 있으며, 주위의 잡음 등에 의해서 영향을 받을 수 있어서 출력신호에 잡음으로 나타날 수 있습니다.

동작 22 상태로 되면 제2노드(A2)의 전압이 불안정하여 직전까지 출력되던 전압과는 전혀 다른 출력전압으로 변경될 수 있고, 임피던스가 매우 높아서 외부 잡음에 영향을 받아서 비정상적인 출력 전압으로 된다. 이때 자극적인 임펄스로 나타날 수 있고 이 펄스가 귀를 자극하여 차갑고 메마른 소리가 됩니다.

동작 22의 상태가 되는 것을 방지하는 방법으로 그림22와 같이 정전류부하(CC21)의 제21트랜지스터(Q21)의 컬랙터와 에미터에 항상 전류가 흐르도록 제22정전류원(CC22)을 설치해 줍니다.

제22정전류원(CC22)에 의한 전류의 흐름을 설명하면 양극전원(VPP2)에서 제22저항(R22)을 경유하고, 제21트랜지스터(Q21)의 에미터에서 제21트랜지스터(Q21)의 컬랙터인 제2노드(A2)를 경유하고, 제22정전류원(CC22)을 경유하여 음극전원(VNN2)으로 흐릅니다.

이와 같이 제22정전류원(CC22)에 의해서 전류를 흘려주면 제22트랜지스터(Q22)의 컬랙터가 일시적으로 개방되어도 제21정전류원(CC21)에는 항상 전류가 흐르게 되며, 어떠한 경우라도 제21트랜지스터(Q21)의 컬랙터가 플로팅되는 일은 없습니다.

동작 22의 경우와 같이 제22트랜지스터(Q22)의 컬랙터가 개방되어 플로팅 되는 경우에도 제21트랜지스터(Q21)의 컬랙터에는 전류가 흐르고 있음으로 플로팅 되지 않아 직전의 출력 전압을 그대로 유지하고 임피던스가 낮아서 외부의 잡음에도 영향을 받지 않음으로써 안정되고 깨끗한 출력신호가 출력됩니다.

제22정전류원(CC22)은 동작전류를 매우 작게 설정하면 임피던스가 높아서 제21정전류원(CC21)의 부하특성에는 영향을 주지 않습니다.

제22정전류원(CC22)에 의해서 정전류부하(CC21)가 일시적으로 플로팅 되는 것을 방지하여 불안정한 상태에서의 잡음 발생을 방지하며, 정전류부하(CC21)에 전류를 흘려줌으로써 낮은 임피던스가 되어 외부 잡음에 영향을 받지 않으며, 신호가 변형되지 않은 깨끗하고 고 충실도의 증폭을 할 수 있습니다. 음향기기에 적용하는 경우 증폭된 출력신호가 자극적이지 않고 깨끗하며 안정된 고 충실도의 증폭을 합니다.

발명의 명칭: 정전류부하 제어잡음 제거회로

다음 글, 트랜지스터의 단점을 보완하는 기술 – 제3부에서 만나요….