Biasing

BJT나 mosfet으로 amplifier를 설계할 때, 갖춰져야 하는 조건들이 있다.

 

특정한 동작 영역에 존재하게끔 한다거나, PVT variation에 덜 민감해야한다던가...

 

이런 조건들을 갖춰줌으로써 회로가 원하는대로 동작하게끔 환경을 조성해주는 것을 Biasing이라고 한다.

 

Simple Biasing으로부터 시작하여 간단한 Biasing 기법들에 대해 알아보자.

 

위와 같은 구조가 Simple Biasing 이다. Base-Emitter 에 순방향 전압을 걸어줄 수 있으며, 저항 값을 적절히 조절하여 Collector-Base에 역방향 전압을 걸어줄 수 있다.

 

보통 BJT 규격상 V_BE가 700mV ~ 800mV가 되게끔 설계하며 이에 맞게 R_B와 R_C를 설정해주면 된다.

 

다만 단점이 많은 회로인데,

 

1. V_BE가 조금만 달라져도 I_C가 크게 바뀌어, 회로의 동작 영역이 불안정해진다.

 

2. 트랜지스터의 β 의 변화에도 매우 민감해진다. 예를 들어 β가 조금만 증가해도, I_C가 증가함에 따라서 V_CE가 감소하고, 결구 V_CB가 감소함에 따라서 트랜지스터가 saturation 영역에 가까워지게 된다. 즉, 이 역시 회로의 동작 영역이 불안정해지게 되는 것이다.

 

여기서 β dependency를 해결한 것이 Voltage-divide biasing이고, V_BE dependency를 해결한 것이 Emitter-Degeneration 이다.

 

 

R_2를 추가한 것이 Voltage-divide, R_E를 추가한 것이 Emitter-Degeneration 이다.

 

먼저 Voltage-divide의 이점을 보자.

 

Simple-Biasing에서는 V_X가 비교적 일정한 값으로 유지되지 않았고 변동성이 컸다.

 

때문에 V_BE가 변동되고 I_C가 변동되고 β 값에 따라 I_B도 변동되고 또 V_BE가 변동되고...

 

이 과정대로라면, β 값에 따라 동작 영역이 불안정해질 수 있다.

 

하지만 Voltage divide로 V_X를 비교적 안정된 상태로 유지시켜주면, BJT의 전류 공식에 따라서 I_C 또한 비교적 안정된 상태가 된다.

 

 

물론 이를 만족시키기 위해서는, 베이스 전류가 충분히 작아 V_CC에서 GND로 흐르는 대전류가 베이스로 거의 빠져나가지 않아 V_X가 일정하게 유지된다는 조건이 필요하다. 이를 위해 R1과 R2의 값을 적절하게 선택하는 것이 중요하다.

 

 

Emitter-Degeneration은 V_BE dependency를 줄여준다.

 

만약 R_E가 없다면 어떨까?

 

V_BE와 I_C는 지수함수 관계이기 때문에 V_BE의 조그마한 변화에도 I_C가 크게 변하게 된다.

 

하지만 R_E를 추가해준다면?

 

V_BE가 오르면 I_C가 오르고 I_E가 증가함에 따라 V_E가 증가해서, V_BE가 작아지는 negative-feedback 이 이루어진다. 따라서 V_BE를 비교적 일정하게 유지시켜주게 된다.

 

물론 이렇게 V_BE의 변동성을 줄여주기 위해 V_RE가 충분히 커야한다는 조건이 있다.

 

이름이 Emitter-Degeneration인 이유는 이미터단에 저항을 추가함에 따라 Gain이 작아지는 소소한 단점이 있기 때문인데, Biasing에 있어서 아주 큰 이점을 갖기 때문에 유용한 Biasing 기법이다.

 

참고로 이 회로에서 R_C가 충분히 작아야 V_C가 커져, BJT가 active mode에 존재할 수 있다는 조건이 있다.

 

 

 

마지막으로, Self-Biasing이라는 Biasing도 있다.

 

 

R_B에서 이루어지는 전압강하를 통해 V_YX > 0을 항상 만족시켜줌으로써 트랜지스터가 항상 active mode에 있게 해주는 기법이다. R_C가 아무리 커지더라도 회로가 무조건 active mode에 있을 수 있다는 장점이 있다.

 

또한, speed 면에서 이점이 있다고도 한다.

 

 

mosfet 또한 위와 같이 Biasing 하면 된다. 다만, mosfet은 gate 전류가 0이기 때문에 훨씬 편하게 biasing할 수 있다. 이는 mosfet이 BJT에 비해 갖는 큰 장점이기도 하다.

 

 

이러한 Biasing 기법들 외에도, 다양한 기법들이 있다고 한다. current mirror를 사용한다던가... 기타 등등.

 

전공교재를 벗어난 많은 기법들이 연구되어 있다고도 한다.

 

어쨌든 핵심은 일정한 전류나 전압을 유지시켜 소자를 원하는 동작 상태에 있게 하는 것이다.