증폭 회로의 주파수 특성 개선 방법

증폭 회로의 주파수 특성이 저주파 영역에서 떨어지는 원인

트랜지스터를 이용한 증폭 회로는 저주파 영역에서도 주파수 특성을 가집니다. 저주파 주파수 특성이란 구체적으로 저주파 증폭률 저하를 말합니다. 저주파로 증폭률이 저하되는 주파수 특성을 가지는 이유는 베이스 및 컬렉터 부분에 사용되는 결합 콘덴서에 의해서, 하이패스 필터가 구성되기 때문입니다.

하이패스 필터는 로우패스 필터와는 반대로 저주파 신호 레벨을 저하시키는 주파수 특성을 가지기 때문에 주로 저주파 영역의 노이즈 컷 등에 이용되는 전자 회로입니다. 일반적으로 고음용 스피커의 중음이나 저음 성분의 컷 등에 사용되고 있습니다.

하이패스 필터도 로우패스 필터와 마찬가지로 증폭률이 최대치의 √(1/2)배가 되는 주파수를 '컷오프 주파수'라고 합니다. 하이패스 필터에서는 컷오프 주파수 이상의 주파수대가 신호를 차단하지 않는 주파수 특성이 됩니다. 이 컷오프 주파수(fcl)는 fcl=1/(2πCcRc)로 구할 수 있습니다. (Cc:결합 콘덴서의 용량, Rc:저항값)

 

저주파 영역에서 내려가는 주파수 특성 개선 방법

트랜지스터를 이용한 증폭 회로에 있어서 저주파 영역에서의 주파수 특성을 개선하려면, 컷오프 주파수를 낮출 필요가 있습니다. 컷오프 주파수를 낮추려면 컷오프 주파수의 식에서 저항값(R) 또는 결합 콘덴서의 용량(C)을 크게 하는 것이 효과적입니다. 단, 저항값은 베이스나 컬렉터의 전류값으로부터 어느 정도 결정되어 버리는 값이기 때문에 실제로는 결합 콘덴서의 용량을 늘리는 것이 저주파의 특성 개선의 가장 유효한 방법입니다.

 

주파수 특성이 고주파 영역에서 떨어지는 원인

트랜지스터는 단체에서도 고주파로 증폭률이 떨어지는 주파수 특성을 가지고 있습니다만, 증폭 회로로서도 '미러 효과'의 이유로 로우패스 필터 효과가 높아져, 보다 고역의 증폭률이 내려가 버리는 주파수 특성을 가집니다. 미러 효과란 베이스 이미터 간의 콘덴서 용량이 베이스 컬렉터 간의 콘덴서 용량 증폭률의 배율로 작용하는 현상입니다.

증폭회로에서는 베이스에 부하된 입력 전류에 대해 베이스, 이미터 간의 내부 용량과 병렬로 컬렉터의 콘덴서 용량이 입력됩니다. 이때의 컬렉터의 콘덴서 용량(Cc)은 미러 효과에 의해 'Cc=(1+A)×C(C는 컬렉터 출력 용량)'가 됩니다. 따라서 전체 콘덴서 용량(Ctotal)은 '베이스-이미터 간의 내부 용량+Cc'가 되므로 로우패스 필터의 효과가 높아지게 됩니다. 이를 개선하기 위해서는 컬렉터 출력 커패시턴스가 가능한 한 작은 트랜지스터를 선택하면 됩니다.

 

고주파 영역에서 내려가는 주파수 특성 개선 방법

고주파 영역에서 증폭기의 주파수 특성을 개선하는 방법은 미러 효과를 줄이는 것입니다. 즉, 전체 콘덴서의 용량(Ctotal)을 줄이기 위해 컬렉터의 출력 용량을 줄이는 것입니다. 단, 컬렉터의 출력 용량은 트랜지스터의 특성 값이므로 증폭 회로로 개선할 방법은 없습니다. 컬렉터의 출력 용량은 일반적으로 트랜지스터의 데이터 시트에 기재되어 있습니다.

고주파 영역에서 증폭기의 주파수 특성을 개선하려면 입력 측의 임피던스(저항)를 낮추는 방법도 있습니다. 이는 로우패스 필터의 특성인 컷오프 주파수(fc)의 값이 저항값과 콘덴서 용량과 역비례 관계에서도 알 수 있습니다. 단 입력 측 임피던스를 낮추는 방법은 제한되어 있어 현실적인 방법은 아닙니다. 실무에서의 주파수 특성의 개선에는 트랜지스터의 컬렉터 출력 용량을 작게 하는 편이 일반적입니다.

 

트랜지스터의 주파수 특성을 이해

트랜지스터 선택 시 입력 신호의 주파수를 높이면 전류 증폭률은 작아지고, 증폭 소자로 트랜지스터를 사용할 수 없게 되기 때문에 주의해야 합니다. 트랜지스터는 거의 모든 전자기기에 탑재되어 있어 전자회로의 성능에도 직결되기 때문에 전자회로 설계자에게 있어서 트랜지스터의 주파수 특성을 이해하는 것은 필수적입니다. 전자회로 설계 입문자는 이번에 소개한 트랜지스터의 주파수 특성 원인과 개선 방법을 이해하고 전자회로의 특성을 고찰하여 전자회로 설계에 반영하길 바라겠습니다.