트랜지스터의 주파수 특성

트랜지스터 구조

트랜지스터의 3층 중 중간층을 베이스, 한쪽을 컬렉터, 다른 한쪽을 이미터라고 정의합니다. 베이스 영역은 층이 얇고 불순물 농도가 낮은 반도체로 만들어지지만 컬렉터와 이미터는 불순물 농도가 높은 반도체로 만들어집니다. 각각의 단자의 관계는 베이스가 입력, 컬렉터, 이미터가 출력이 됩니다. 즉 트랜지스터는 베이스 측 의 입력으로 컬렉터, 이미터 측의 출력을 제어할 수 있는 전자 소자입니다.

 

트랜지스터 주파수 특성

트랜지스터를 증폭기로서 전자 회로에 이용하려면, 베이스와 이미터를 연결해 베이스 전압(Vb)을 인가하는 회로와 베이스와 컬렉터를 연결해 컬렉터 전압(Vc)을 인가하는 회로를 만듭니다. 베이스에서는 두 회로를 연결함으로써 접지 가능합니다. 베이스와 이미터 간에 Vb를 부하해 전류(베이스 전류:Iv)를 흐르게 하면, 컬렉터와 이미터 간에 Vc부하에 의한 전류(컬렉터 전류:Ic)가 흐릅니다.

이때의 베이스 전류와 컬렉터 전류의 비가 증폭률(이득)이 됩니다. 증폭률의 구하는 방법은 Hfe=Ic/Iv입니다. 이 증폭률은 기본적으로 일정하지만 베이스 전류의 주파수가 특정 주파수보다 고역이 됨으로써 저하됩니다. 증폭회로는 입력신호가 적절한 크기가 아니면, 출력 신호가 입력신호에 대해 올바르게 증폭되지 않는 왜곡 현상이 발생하기 때문에 주의가 필요합니다.

 

트랜지스터의 주파수 특성이란, 증폭률이 베이스 전류의 주파수에 의해서 저하되는 특성을 나타냅니다. 주파수 특성에는 트랜지스터 단체에서의 특성과 트랜지스터를 포함한 증폭기 회로의 특성이 있습니다.

 

트랜지스터의 주파수 특성 구하는 방법

트랜지스터의 주파수 특성을 가로축이 베이스 전류인 주파수, 세로축을 증폭률(이득)의 양 대수 그래프로 나타내면 특정 주파수까지 증폭률이 일정하고, 어떤 주파수에서 직선으로 증폭률이 작아져 가는 그래프가 그려집니다. 이 그래프에서 증폭률이 1이 되는 주파수를 트랜지션 주파수라고 합니다. 고주파로 증폭률이 떨어지는 영역에서는 주파수와 증폭률의 곱은 일정하게 됩니다.

이 주파수와 증폭률의 곱은 '이득 대역폭 곱(GB 곱)'이라고 하며 트랜지스터의 주파수 특성을 나타내는 지표 중 하나입니다. GB 곱과 트랜지션 주파수는 동일한 관계가 됩니다. 트랜지션 주파수와 증폭률은 트랜지스터 제조사가 만드는 트랜지스터의 고유한 특성을 나타내는 데이터 시트에서 확인할 수 있습니다. 이 트랜지션 주파수와 증폭률로부터 트랜지스터의 주파수 특성을 구할 수 있습니다.

 

트랜지스터에 주파수 특성이 발생하는 원인

트랜지스터의 주파수 특성으로서, 증폭률이 고역에서 저하해 버리는 이유는 '트랜지스터의 내부 저항과, 베이스, 이미터 간의 내부 용량으로 로우 패스 필터가 구성되어 버리는 관계' 이기 때문입니다. 로우패스 필터란 고주파 신호를 저하시키는 주파수 특성을 가지기 때문에 주로 고주파 노이즈 커팅 등에 사용되는 전자회로입니다. 일반적으로 음향 기기에 있어서의 저음 스피커의 고음이나 중음 성분의 컷 등에 사용됩니다.

로우패스 필터의 주파수 특성에 있어서, 증폭률이 최대치의 √(1/2) 배가 되는 주파수를 '컷오프 주파수'라고 합니다. 로우패스 필터에서는 컷오프 주파수 이하의 주파수대가 신호를 커트하지 않는 주파수 특성이 됩니다. 트랜지스터 단체의 컷오프 주파수의 값은, fc=1/(2 π CtRt)로 구할 수 있습니다. (Ct:트랜지스터의 내부 용량, Rt:트랜지스터의 내부 저항)

 

트랜지스터의 주파수 특성 개선 방법

트랜지스터의 내부 용량과 트랜지스터의 내부 저항은 트랜지스터가 만들어질 때 정해진 값으로 변경할 수 없습니다. 이 때문에 트랜지스터의 고주파에 있어서의 주파수 특성을 결정하는 값인 트랜지션 주파수는, 트랜지스터 고유의 특성치가 됩니다. 즉 트랜지스터의 주파수 특성을 개선하는 직접적인 방법은 트랜지스터를 교체하는 것 밖에 없습니다.

예를 들면, 도시바 트랜지스터의 2SC5242의 주파수 특성치인 트랜지션 주파수가 30MHz인 모델과 2SA1358은 120MHz의 특성을 가진 모델이 있습니다. 주파수 특성을 개선하기 위해서는 전자 회로의 사용 용도에 따라 베이스 전류의 주파수에 맞는 트랜지스터를 선택하는 것이 중요합니다.