하만(Harman) 세미콘 아카데미 28일차 - 전자회로 해석 및 설계(Transistor, BJT)

[2024.04.16.화] 인천인력개발원 하만 세미콘 아카데미

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전자회로 해석 및 설계

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5. Transistor 응용회로 

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1. Transistor 종류

• BJT(현업에서는 "TR")
  • npn TR
  • pnp TR
• FET
  • N-Channel FET
  • P-Channel FET

2. BJT의 TR ON / OFF 특성

1. 0.7V 이상의 전압이 걸리면 베이스 전류가 흐름(양공이 p로 이동) / 우측 전압원으로 인해 Collector에는 고전압 형성
2. p형 반도체로 이동한 양공으로 인해 Emitter에서 위쪽으로 전자 다량 이동(I_E 전류 흐름)
3. Collector의 고전압으로 인해 2에서 이동한 전자가 대부분 p형 반도체를 통과하여 collector로 이동(I_C 전류 흐름)
   
   • 이 때, I_B에 의해 TR이 ON 되므로
     "전류(I_B) 구동 소자"
   • 결론: V_BE ≥ 0.7V면, TR ON -> R_ON ≒ 0Ω
     V_BE < 0.7V면 TR OFF -> R_OFF ≒ ∞Ω

 

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실습1: BJT

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[ Analysis Type에 따른 Simulation 프로파일 만드는 방법 ]

• Transient analysis( 과도 해석, 시간 해석 )
  • X-axis: Time
  • Equipment: Oscilloscope(화면의 x축: 시간)
  • Settings
     - run to time(Simulation 종료시간): 입력신호 주기의 5배 -> steady state 여부 확인( unsteady -> 종료시간 증가 )
     - Max step size(Simulation x축 간격): run to time / 1000 -> 파형 확인 (파형이 부드럽지 않으면 나누는 숫자 > 1000)
• AC sweep( 교류 해석, 주파수 해석 )
  • X-axis: Frequency
  • Equipment: Spectrum analyzer
  • Source: Vac=1V, Iac=1A
  • Marker: dB마커 사용
  • Settings
     - AC Sweep type: Log scale(decade)
     - start freq.: 1Hz 설정 후 파형 확인 -> 필요시 10배씩 증가(1 - 10 - 100 - 1000 - ...)
     - end freq.: 1GHz 설정 후 파형 확인 -> 필요시 10배씩 감소(1G - 100meg - 10meg - ...)
     - pts/decade:  101
• DC sweep( 직류 해석 )
  • X-axis: time과 freq 모두 아닐 때 사용
  • Equipment: I-V Curve Tracer 등
  • Settings: 상황에 따라 다름
• Bias Point Analysis: 0초에서의 직류값

1. BJT Project 생성

2. 회로 구성

• OrCAD의 논리 0(LOW) = 0V
• OrCAD의 논리 1(HIGH) = 5V
• DSTM: DigClock/SOURCE 사용

3. 위 프로파일 설정법을 응용하여 프로파일 구성

 

4. 결과 확인

빨간색 입력, 초록색 출력

5. 결과 분석

• 위 회로는 npn회로
• in에 5V 인가되면 pn다이오드 ON -> out1에 LOW 출력(GND에 의해)
• in에 0V 인가되면 npn OFF -> out1에 HIGH 출력(VCC에 의해)
• 위 회로는 NOT게이트처럼 동작 (=Inverter) - 약전 회로에서
• 강전 회로에서 Inverter는 주파수 변환 장치로 작동

6. 입력이 HIGH일 때 VB = 0.7V 로 계산 후 시뮬레이션으로 확인

7. 입력이 HIGH일 때 IB = (Vin.high-0.7V) / R_B = 4.3V / 47k = 91uA

• 소신호 BJT 기준 적당한 베이스 전류(I_B)는 수백(100~500)uA -> 적정 베이스 저항(R_B)는 수십(10~50)kΩ
• 이 때 V_CE = Saturation Voltage ≒ 0.1~0.2V

 

8. VC(컬렉터 전압)은 입력이 HIGH일 때 0V, 시뮬레이션 확인

정확히 0V는 아니나 논리적으로 LOW값

 

9. 입력이 HIGH일 때 IC를 계산하면 (Vcc-V_CE)/R2 = (5 - 0.13)/1k ≒ 5/1k = 5mA

• 위 회로에서 β(hfe) = I_C / I_B = 5m / 100u = 50
• 콜렉터에 흐르는 전류 능력 I_C = β * I_B -> I_C ∝ I_B ∝1 / R_B

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실습2: 회로 변경 후 계산 및 시뮬레이션

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1. 회로 변경

ON-> D1에 VF 0.7V, BJT에 V_saturation 0.1V 형성

2. I_D 구하기: I_D = {VCC - (VF+V_saturation)}/1k = (5V - 0.7V - 0.13V) / 1k ≒ 4.2mA

• 소자 특성 변경: 소자 클릭 후 우클릭 - Edit PSpice Model

위 창에서 특성 변경 가능