실험 8. 트랜지스터스위칭실험 8.1 실험목적 트랜지스터의스위칭특성을이해한다. 트랜지스터의무접점스위치로의응용원리를이해한다. 트랜지스터의디지털소자로의응용원리를이해한다. 8.2 실험이론 8.2.1 트랜지스터스위칭특성 포화동작영역은트랜지스터의베이스입력전류가커서입력전류에따라전류증폭률 β배만큼비례적으로증폭하여컬렉터전류로출력하지못하고, 출력이트랜지스터가흘릴수있는최대컬렉터전류 I C(max) 로제한되는동작영역이다. 선형동작영역과는달리포화동작영역에서의베이스입력전류의변화는컬렉터출력전류에전혀영향을미치지못하고, 단지충분히큰입력전류라는의미만있으며, 출력역시포화 (saturation) 되어흘릴수있는최대의컬렉터전류를흘린다는의미만있다. 포화동작영역에서는최대컬렉터전류가흐르므로컬렉터와이미터사이의전압역시최소가되어약 0.2V 정도의전압이걸린다. 포화동작영역에서는베이스입력전류의크기와무관하게 I C =I C(max), V CE =V CE(sat) 0.2V( 0V) 가된다. 트랜지스터의포화동작영 - 1 -
이론과함께하는전자회로실험 역은스위칭소자의 ON' 과같은의미를가지게되는것이다. 차단동작영역은베이스입력전류가없어컬렉터출력전류역시흐르지않는동작모드이다. 컬렉터출력전류가흐르지않으므로컬렉터저항에서의전압강하도발생하지않아컬렉터와이미터사이의전압은인가전압 V CC 와동일하게된다. 즉베이스입력전류 I B =0, 컬렉터출력전류 I C =0, V CE =V CC 가된다. 트랜지스터의차단동작영역은스위칭소자의 OFF' 와같은의미를가지게되는것이다. 이와같이트랜지스터의포화동작영역과차단동작영역을활용하여디지털소자와스위칭소자를구현할수있다. V CC R B1 18k R C V c 1k 22 F + - 22 F + - V B I B B I C C C o 교류입력신호 V i C i R B2 8.2k I E R E E + - C E 100 F 교류출력신호 V o 그림 8.1 트랜지스터이미터공통증폭기회로 그림 8.2 는트랜지스터증폭기회로의선형동작과포화동작실험파 - 2 -
형을나타내고있다. 그림 8.1 트랜지스터이미터공통증폭기회로에 5kHz 정현파입력전압을인가하여출력전압을측정한실험파형이다. 그림 8.1은실험 7. 트랜지스터증폭기실험의그림 7.8과동일한회로이다. 그림 8.2(a) 는정현파교류입력전압 v i 가증폭되어정현파교류출력전압 v o 로나타나는트랜지스터선형동작을확인할수있다. 이에비해그림 8.2(b) 는정현파입력전압 v i 가일정한비로증폭되어출력전압 v o 로나타나지못하고, 출력전압이물리적으로더이상증가할수없어일정한전압으로포화되어구형파와유사하게나타나는트랜지스터포화동작을확인할수있다. 그림 8.2는정현파교류입력전압 v i 는 0.1V/div, 교류출력전압 v o 는 2V/div의전압스케일을각각선택하고, 시간스케일은 50μs/div를선택한실험파형들이다. 교류출력전압 v o 교류입력전압 v i 교류출력전압 v o 교류입력전압 v i (a) 트랜지스터선형동작 (b) 트랜지스터포화동작 그림 8.2 트랜지스터의선형동작및포화동작 ( 정현파입력신호 ) 그림 8.2(a) 에비해그림 8.2(b) 는그림에서보는바와같이교류입력전압이약 6배이상증가되었다. 교류입력전압이너무커져서트랜지스터증폭기가선형동작영역을벗어나포화동작영역이된것이다. 포화동작영역에서는입력전압의순시값의변화는출력전압에영향을 - 3 -
이론과함께하는전자회로실험 미치지못하고, 단지입력전압이양 (+) 의전압이라는정보와음 (-) 의전압이라는정보만의미를갖는다. 그림 8.2(b) 에서보는바와같이정현파교류입력전압은단지양의입력전압과음의입력전압이라는 2 가지의정보로축약되었다. 교류출력전압 v o 교류출력전압 v o 교류입력전압 v i 교류입력전압 v i (a) 트랜지스터포화동작 (V m =0.1V) (b) 트랜지스터포화동작 (V m =0.3V) 그림 8.3 트랜지스터의포화동작 ( 구형파입력신호 ) 그림 8.3은그림 8.1 트랜지스터이미터공통증폭기회로에 5kHz 구형파입력전압을인가하여출력전압을측정한실험파형이다. 그림 8.3(a) 와그림 8.3(b) 는교류입력전압 v i 의전압값이상당히차이가나는데도불구하고교류출력전압 v o 가동일한것을확인할수있다. 이는 8.3(a) 와 8.3(b) 가모두포화동작영역에서동작하고있음을알수있다. 이와같이포화동작영역과차단동작영역을이용하여트랜지스터를증폭기로사용하지않고, 스위치로사용할수있다. 그림 8.3 역시그림 8.2와동일하게구형파교류입력전압 v i 는 0.1V/div, 교류출력전압 v o 는 2V/div의전압스케일을각각선택하고, 시간스케일은 50μs/div를선택한실험파형들이다. - 4 -
V CC R C V Rc R B I B B I C C 입력신호 V i V BB V B I E E V CE 그림 8.4 트랜지스터이미터공통회로 그런데이와같은트랜지스터스위칭특성을이용하기위해그림 8.1과같이복잡한트랜지스터증폭기회로를구성할필요는없다. 트랜지스터스위칭특성을이용하기위해서는그림 8.4와같은트랜지스터이미터공통회로를구성하면된다. 그림 8.4는실험 6. 트랜지스터특성실험의그림 6.4와동일한회로이다. 트랜지스터스위칭특성에서는입력전압이 2가지정보만을가진다. 즉입력전압이충분히큰값의직류전압이라는정보와입력전압이 0 또는음의직류전압이라는정보의 2가지로나뉘어진다. 그림 8.4와같은트랜지스터이미터공통회로를이용하여트랜지스터스위칭특성을활용할수있다. 그림 8.5와그림 8.6은그림 8.4 트랜지스터이미터공통증폭기회로에서 V CC =5V, R B =100kΩ, R C =1.5kΩ를이용하여회로를구성하고, 5kHz 구형파교류입력전압을인가하여출력전압을측정한실험파형이 - 5 -
이론과함께하는전자회로실험 다. 그림 8.5는트랜지스터이미터공통회로의선형동작실험파형을나타내고있고, 그림 8.6은트랜지스터이미터공통회로의포화동작실험파형을나타내고있다. 그림 8.5와그림 8.6의구형파교류입력전압 v i 와출력전압 v o 모두 2V/div의전압스케일과 50μs/div의시간스케일을동일하게선택한실험파형들이다. 출력전압 v o 출력전압 v o 입력전압 v i 입력전압 v i (a) 트랜지스터 선형동작 (V m =0.8V) (b) 트랜지스터 선형동작 (V m =1.2V) 그림 8.5 트랜지스터의선형동작 ( 구형파입력신호 ) 입력전압 v i 입력전압 v i 출력전압 v o 출력전압 v o (a) 트랜지스터 포화동작 (V m =2V) (b) 트랜지스터 포화동작 (V m =4V) 그림 8.6 트랜지스터의포화동작 ( 구형파입력신호 ) - 6 -
그림 8.5는구형파교류입력전압 v i 의최대값 (V m ) 이 V m =0.8V인경우와 V m =1.2V인경우에대한실험파형으로교류입력전압이음 (-) 의직류전압인반주기동안은차단동작에의해출력전압이모두 V cc 와동일한전압인 5V이고, 양 (+) 의직류전압인반주기동안은선형동작에의해출력전압이서로다른것을확인할수있다. 또한그림 8.6은구형파교류입력전압 v i 의최대값 (V m ) 이 V m =2V인경우와 V m =4V인경우에대한실험파형으로교류입력전압이음 (-) 의직류전압인반주기동안은역시차단동작에의해출력전압이모두 5V 이고, 양 (+) 의직류전압인반주기동안은입력전압의전압크기가서로다르지만포화동작에의해출력전압이거의 0V로동일한것을확인할수있다. 차단동작영역과포화동작영역을이용하는트랜지스터스위칭특성에서는그림 8.6과같이출력전압은 2가지의전압값만을가지게된다. 즉출력이 ON/OFF 스위치와같이 2가지상태만을나타내게된다. 이와같은스위칭특성을이용하여트랜지스터를스위치로응용할수있다. 또한트랜지스터의스위칭특성을이용하여디지털논리소자를구성하여응용할수있다. 8.2.2 스위칭특성을이용한디지털논리게이트회로 트랜지스터의스위칭특성을이용하여디지털논리게이트회로를구성할수있다. 디지털논리회로에있어핵심적인기능을하는 NOT, AND, OR, NAND, NOR 등의논리게이트회로를트랜지스터의스위칭특성을이용하여만들수있다. - 7 -
이론과함께하는전자회로실험 1 트랜지스터인버터회로 V CC +5V R C 입력전압 V i R B I B B I C C 출력전압 V o E I E 그림 8.7 트랜지스터인버터회로 그림 8.7의트랜지스터인버터회로에서입력전압이 0V(LOW) 이면출력전압이 5V(HIGH) 이고, 입력전압이 5V(HIGH) 이면출력전압이 0V(LOW) 가된다. 이와같이출력이입력의반대가되므로이를인버터회로라고한다. 트랜지스터인버터회로가바로디지털논리게이트의하나인 NOT 게이트이다. 이와같이트랜지스터의스위칭특성을이용하여디지털논리게이트회로를만들수있다. 표 8.1 트랜지스터인버터회로의동작 입력전압 V i ( 입력 A) 0V 5V 출력전압 V o ( 출력 Y) 5V 0V 논리식 - 8 -
2 트랜지스터논리게이트 (Transistor-Transistor Logic, TTL) V CC +5V R 1 R 3 출력 Y 입력 A 입력 B C D B Q 3 Q 1 Q 2 E R 2 그림 8.8 TTL NAND 게이트의기초회로 표 8.2 TTL NAND 게이트의동작 입력 A 입력 B 출력 Y 논리식 0V 0V 5V 0V 5V 5V 5V 0V 5V 5V 5V 0V 트랜지스터를이용하여 NOT 게이트뿐만아니라 AND, OR, NAND, NOR 등의핵심적인논리게이트등을모두만들수있다. 가장일반적으로사용하는디지털 IC가 TTL인데그림 8.8과같이논리회로의입력단과출력단을모두트랜지스터를이용하여구성한논리회로를 TTL(Transistor - Transistor Logic) 이라고한다. 그림 8.8은대표적인논리게이트의하나인 NAND 게이트를구성한 TTL의기초회로이다. - 9 -
이론과함께하는전자회로실험 8.3 사용부품 부품 규격및수량 트랜지스터 npn 트랜지스터 (C1815) 3 개 다이오드 저항 Si 다이오드 1 개 (1N4001) 1kΩ, 10kΩ 각 2개 4.7kΩ 3개 8.4 실험방법 [ 실험 1] 트랜지스터인버터회로실험 V CC +5V R C 1k 입력 A R B I B B I C C 출력 Y 10k I E E 그림 8.9 트랜지스터인버터회로 - 10 -
그림 8.9의트랜지스터인버터회로에서사용하는 npn 트랜지스터 (2SC1815) 의베이스 (base), 컬렉터 (collector), 이미터 (emitter) 단자를데이터시트에서확인하여라. 그림 8.9의트랜지스터인버터회로를구성하여라. 회로구성시트랜지스터의베이스, 컬렉터, 이미터단자연결에주의하여라. 트랜지스터의 3단자를트랜지스터회로기호와같은모양으로임의로휘어서브레드보드에꽂지말고, 트랜지스터를브레드보드에그대로꽂은후회로결선시베이스단자, 컬렉터단자, 이미터단자를찾아정확히결선하여라. 그림 6.6을참조하여라. 입력신호 A는신호발생기를이용하여최대값 (V m ) 이 4V인 1kHz 구형파교류신호를인가하고, 입력 A와출력 Y를오실로스코프듀얼모드를이용하여측정하여라. CH1은입력신호, CH2는출력신호를동시에측정하여측정파형을표 8.3에그려라. 오실로스코프의듀얼모드를이용하여두파형을동시에보기에가장적합하도록 CH1과 CH2 모두전압스케일은 2V/div를선택하고, 시간스케일은 0.2ms/div를선택하여라. 실험단계 의신호발생기입력을제거하고, 입력 A단자에직류전원공급기를이용하여 DC 5V를인가하고, Y단자의출력전압을디지털멀티미터를이용하여측정하여표 8.4에기록하여라. 입력 A단자에직류전원공급기를이용하여 DC 0V를인가하고, Y 단자의출력전압을디지털멀티미터를이용하여측정하여표 8.4에기록하여라. 실험단계 와 의실험결과를이용하여그림 8.9 트랜지스터인버터회로의논리식을표 8.4에기록하여라. - 11 -
이론과함께하는전자회로실험 [ 실험 2] 트랜지스터논리게이트회로실험 V CC +5V R C 1k 입력 A R B B C 입력 B R B B C 출력 Y 10k E 10k E 그림 8.10 트랜지스터논리게이트회로 트랜지스터 (2SC1815) 2개를이용하여그림 8.10의트랜지스터논리게이트회로를구성하여라. V CC 가정확히 DC +5V가되도록직류전원공급기의출력전압을조정하여라. 입력 A 단자와 B 단자에표 8.5 에표시된전압을각각인가한경우 의 Y 단자의출력전압을디지털멀티미터를이용하여측정하여표 8.5 에기록하여라. 실험단계 의실험결과를이용하여그림 8.10 트랜지스터논리 게이트회로의논리식을표 8.5 에기록하여라. - 12 -
[ 실험 3] TTL 논리게이트회로실험 V CC +5V R 1 4.7k R 3 4.7k 출력 Y 입력 A C D B Q 3 Q 1 Q 2 E 입력 B 4.7k R 2 그림 8.11 TTL 논리게이트회로 그림 8.11 의 TTL 논리게이트회로를구성하여라. V CC 가정확히 DC +5V 가되도록직류전원공급기의출력전압을조 정하여라. 입력 A 단자와 B 단자에표 8.6 에표시된전압을각각인가한경우 의 Y 단자의출력전압을디지털멀티미터를이용하여측정하여표 8.6 에기록하여라. 실험단계 의실험결과를이용하여그림 8.11 TTL 논리게이트 회로의논리식을표 8.6 에기록하여라. - 13 -
이론과함께하는전자회로실험 8.5 실험결과 [ 실험 1] 트랜지스터인버터회로실험 표 8.3 트랜지스터인버터회로실험파형 ( 실험단계 ) 전압스케일 2 V/div 시간스케일 0.2 ms/div 표 8.4 트랜지스터인버터회로실험데이터 실험단계입력 A [V] 출력 Y 참고사항, 0 [V] DMM을 이용하여 5 [V] 소수점한자리까지측정 논리식 Y = - 14 -
[ 실험 2] 트랜지스터논리게이트회로실험 표 8.5 트랜지스터논리게이트실험데이터 실험단계입력 A [V] 입력 B [V] 출력 Y 참고사항 0 0 [V] 0 5 [V] 5 0 [V] DMM을이용하여소수점한자리까지측정 5 5 [V] 논리식 Y = [ 실험 3] TTL 논리게이트회로실험 표 8.6 TTL 논리게이트실험데이터 실험단계입력 A [V] 입력 B [V] 출력 Y 참고사항 0 0 [V] 0 5 [V] 5 0 [V] DMM을이용하여소수점한자리까지측정 5 5 [V] 논리식 Y = - 15 -
이론과함께하는전자회로실험 8.6 검토사항 그림 8-2 (a) 는트랜지스터선형동작, 그림 8-2 (b) 는트랜지스터포 화동작임을각각의파형을이용하여설명하여라. 그림 8-3 (a) 와 (b) 가모두트랜지스터포화동작임을파형을이용하 여설명하여라. 그림 8-5 (a) 와 (b) 에서입력전압이음 (-) 의직류전압인구간의트 랜지스터동작영역을설명하여라. 그림 8-5 (a) 와 (b) 에서입력전압이양 (+) 의직류전압인구간의트 랜지스터동작영역을설명하여라. 그림 8-6 (a) 와 (b) 에서입력전압이양 (+) 의직류전압인구간의트 랜지스터동작영역을설명하여라. 그림 8-7 트랜지스터인버터회로가 NOT 게이트특성을갖는이유 를간단히설명하여라. 그림 8-10 트랜지스터논리게이트회로의 [ 실험 2] 의논리식실험결 과를이용하여이논리회로가무슨게이트회로에해당하는지답하여 라. 그림 8-11 TTL 논리게이트회로의 [ 실험 3] 의논리식실험결과를 이용하여이논리회로가무슨게이트회로에해당하는지답하여라. - 16 -
그림 8-11 TTL 논리게이트회로의동작을설명하여라. 트랜지스터를이용하여 AND 게이트회로를구성하여라. 트랜지스터를이용하여 OR 게이트회로를구성하여라. 실험시의특이사항및실험에대한종합결론을정리하여라. - 17 -