기초 편 전자회로와 소자 -...
TRANSCRIPT
- 1 -
기초 편 전자회로와 소자
전자회로를 공부하기 위해서는 전자회로를 구성하는 소자 및 소자와 소자 사이를 연결하는
회로를 나타내는 방법과 여러 소자의 작동원리와 특성을 어느 정도 알고 있어야 합니다.
또, 전자회로 공부는 대부분이 회로를 직접 꾸며서 조사하는 것이기 때문에 회로를 만드는
방법 특히 납땜을 하는 방법도 익혀야 합니다. 여기서는 본격적으로 전자회로를 살펴보기
전에 필요한 기본적인 사항들을 먼저 다룹니다. 이미 이 내용에 익숙해져 있는 경우에는
이를 생략하고 바로 제 1장부터 공부를 시작해도 좋습니다.
1) 전자회로의 표시방법
언어(문자)란 효과적인 의사소통의 수단입니다. 전자회로도 마찬가지로 회로의 주요내용을
효과적으로 전달하기 위해 특별한 방법을 사용합니다. 그것이 전자회로도(electronics
circuit diagram)입니다. 우리가 외국을 제대로 이해하고 외국에서 생활하려면 외국어를 할
수 있어야 하고, 또 그러려면 외국어의 알파벳과 규칙(문법)을 공부해야 하는 것처럼 전자
회로를 제대로 활용하려면 전자회로도를 그리는 규칙(기호)을 익히고 따라야 합니다. 아래
왼쪽의 그림은 임의로 택한 전자회로도의 한 예입니다. 오른쪽의 부품 배치도(그러나 아랫
면의 배선이 생략됨) 비교해보면 각각의 장단점이 모두 있으나, 회로가 더 복잡해지면 부품
배치도를 그릴 수가 없거나 그리더라도 회로를 파악하는데 별로 도움이 되지 않음을 이해할
수 있습니다. 결국, 전자회로를 나타내는 데는 (전자)회로도가 정답입니다.
위 회로도에도 이미 전기저항(가변저항기 포함), 축전기(전해콘덴서 포함), LED, IC, 전지,
부저가 포함되어 있습니다만 전자회로의 다양한 소자들을 기호로 나타낼 필요가 있습니다.
저항, 축전기, 인덕터 등 전자소자들에 대한 표시는 기호로 나타내는데 대부분 소자의 특색
이나 모양을 본떠 만들었기 때문에 비교적 자명하여 구별이 쉬우나, 간혹 다소 변화된 형태
로도 사용되고 있기 때문에 유념해야 합니다.
- 2 -
Ex. 1 아래 회로도를 보고 각각의 소자와 기호를 확인한다.
- 3 -
2) 전기저항의 종류와 색깔 띠 코드
전기저항은 저항에 흐르는 전류에 비례하여 전압이 발생하는 소자로 전자회로에서는 전류를
제한하거나(current limiter), 전압을 발생하고 나누는(voltage divider) 용도에 사용합니다.
전자회로에서 사용되는 전기저항에는 여러 가지 종류들이 있습니다. 각각의 종류에 따라서
용도나 특성이 다르므로 잘 알고 사용해야 합니다. 전자회로에 사용되는 저항에는
피막저항(film resistor) - 부도체 표면에 금속, 산화금속, 탄소 또는 합금과 유리의
혼합체 등을 얇은 막으로 입혀서 전기저항 값을 조절한 저항
탄소 복합저항(carbon composition resistor) - 탄소와 부도체의 알갱이를 섞은 뒤
압착시켜서 만든 것으로 값싸지만 정밀도나 안정성이 떨어짐
권선저항(wire wound resistor) - 비저항이 큰 가는 금속선을 감아서 만든 저항임
가변 저항기 (rheostat, potentiometer) - 탄소피막저항이나 권선저항에 움직일 수
있는 접촉을 이용해서 저항 값을 변화시킬 수가 있는 저항임
집적 저항 (integrated resistors, array resistors) - 집적된 기판회로에서 사용이
되는 저항으로서 반도체물질을 저항체로 사용하여 제작을 함
능동 가변저항기(active variable resistor) - 전기장효과 트랜지스터(FET)를 써서
게이트-소스 전압 로 소스-드레인간 저항 을 조절
수동 가변저항기(passive variable resistor) - CdS 등 반도체를 사용하여 제작한
varistor 소자를 써서 전압에 따른 저항 값의 변화를 이용함
들이 있습니다.
Ex. 2 다른 종류의 저항체의 내부 구조 등 제작된 모양을 살펴본다.
- 4 -
생산된 저항의 저항 값을 표시하는 방법으로는 주로 색깔 띠로 나타내는 방법이 쓰입니다.
과거에 많이 사용된 탄소 복합저항과 요즘 사용되는 탄소 또는 금속 피막저항을 표시하는
방식이 다르므로 유의합니다.
탄소 복합저항의 색깔 띠 코드(4띠)
처음에는 불편해도 전자회로 실습을 오래 하다보면 자연스럽게 저항의 색깔코드를 외우게
됩니다. 잘 살펴보면 무지개 색을 이용한 것을 알 수 있습니다. 오래 전 통신강의록에서는
0 에서 9 까지 숫자가 증가할 때 “흑-갈-적-동-황-록-청-자-회-백” 이라고 외웠습니다.
피막저항의 색깔 띠 코드(5띠)
- 5 -
피막저항의 생김새가 좌우대칭인데다 허용도(tolerance, 생산 시 가능한 편차)를 나타내는
색이 숫자를 나타내는 색과 겹치기 때문에 전기저항 값을 색깔코드로 읽기가 까다롭습니다.
Ex. 3 여러 가지 저항의 색깔코드로 저항 값을 알아내고 테스터로 확인한다.
저항에 전류가 흐르면 저항 내에 줄열(P = I2 R)이 발생합니다. 저항 값이 크고 전류가 많이
흐르는 저항에서는 열이 많이 발생하여 저항체가 뜨거워집니다. 이 열을 방출하지 않으면
저항체의 온도가 너무 높아져서 산화가 일어나거나 저항 값이 변할 수 있습니다. 따라서
이런 경우에 사용하는 저항들은 특별히 크게 만들어서 공기와의 접촉면적을 넓히고 또한,
전극 선(lead wire)도 굵은 선을 사용하여 전극 선을 통해서도 열이 빠져나가도록 합니다.
일률이 큰 (P > 5W) 저항은 텅스텐 선과 같은 금속선을 사용하는 권선저항이고, 아주 큰
(P > 20W) 저항들은 방열판을 이용해 발생하는 열의 방출을 돕고 있습니다. 방열판이 있는
저항을 사용할 때는 방열판을 열전도성 페이스트를 발라 프레임에 잘 고정시켜 열의 전달을
돕는 것이 좋습니다. 일반적으로 저항들은 사용용도에 따라 1/16W, 1/8W, 1/4W, 1/2W,
1W, 2W, 5W, 10W, 20W(25W), 30W,... 급들이 있습니다. 이를 허용일률(power rating)
이라고 합니다.
Ex. 4 저항에 가해준 전압을 바꿔가면서 전압 대 전류 (I-V) 측정을 통해 가열된
저항의 저항 값이 어떻게 바뀌는지 살펴본다. 저항의 허용일률을 초과하는
과도한 열이 나면 저항체 표면의 색깔이 변하고, 타는 냄새가 나며 연기가
발생하기도 한다. 심하면 불이 날 수도 있으므로 주의하고, 특히 저항에서
열이 나면 저항의 표면이 매우 뜨거우므로 화상을 입지 않도록 유의한다.
[실험실에서 볼 수 있는 대부분의 저항은 1/2W 급입니다.]
- 6 -
3) 축전기의 종류와 전기용량 표시방법
축전기(capacitor)는 마주하는 두 전극에 전압을 가할 때 전압에 비례하는 전하가 충전되는
특성을 이용하는 소자로 전자회로에서는 직류를 차단하고(dc blocking) 교류를 흘리거나(ac
bypassing), 저항이나 인덕터와 함께 여과(filtering) 또는 조정(tuning)회로에 사용합니다.
축전기에도 여러 가지 형태가 있어서 생김새로 판단해야 하는데 잘 알기가 어려운 경우도
있습니다. 재료에 따라서는 특이한 특성을 갖는 것들도 있어서 유의해야 합니다.
박막 축전기(film capacitor) - 종이, 폴리스틸렌, 금속박막을 입힌 필름 등 얇은 박막
유전체를 사용해 원통 형태로 말아 감아서 만든 축전기임
원판형 축전기(disk capacitor) - 운모(mica), 유리, 또는 BaTiO3 등 세라믹 유전체로
원형 또는 사각형의 판상 전극으로 만든 평행판 축전기임
적층 축전기(stack capacitor) - BaTiO3 등의 유전율이 매우 큰(200~16000) 세라믹
강유전체를 쓴 평행판 축전기를 여러 층으로 쌓아서 전기
용량을 키운 것으로 시간이 지나면서 전기용량 값이 변함
전해 축전기(electrolytic capacitor) - 알루미늄/산화 알루미늄 막/전해질용액으로 된
전해축전기와 탄탈륨(Ta)/산화 탄탈륨 막/고체전해질로 된
탄탈(전해) 축전기가 있으며, 전기용량이 크나(수 mF ~ 수
1000 mF) 극성(polarity)이 있어 사용할 때는 주의해야함
절연유 축전기(oil capacitor) - 고용량(~ mF)과 고전압(~ 1 kV)의 직류 또는 교류용
축전기로 절연유에 담가 고전압에서도 사용할 수 있게 함
가스봉입 축전기(gas encapsulated capacitor) - 초 고전압(~ 10 kV) 용 축전기들임
슈퍼(super)축전기(또는 ultra capacitor) - 초고용량(수 F ~ 수 1000 F)과 낮은( ~
5V) 내전압을 갖고 컴퓨터 DRAM 용 비상전원으로 사용
- 7 -
Ex. 5 여러 가지 축전기를 열어 내부구조를 살펴보고 종류에 따른 모양을
익힌다. 작은 축전기들은 열어보기가 어렵고 전해 축전기들은 산성
용액이 들어있으므로, 눈에 들어가거나 옷에 묻지 않도록 주의한다.
축전기의 전기용량 값은 직접 숫자로 나타내거나(예: 10u = 10mF, 100J = 100pF±5%),
숫자코드 � � � 로 나타냅니다. 여기서 마지막의 숫자는 지수이고 단위는 pF 입니다. 즉,
한 예로 104 라고 적힌 축전기의 전기용량은 10×104 pF = 105 pF = 0.1 mF 입니다. 간혹
저항처럼 색깔코드를 쓰는 경우가 있습니다. 이때 코드의 값은 저항에 준해서 구합니다.
전해축전기는 극성이 있어서 (+)와 (-) 전압을 옳은 극성으로 가해주어야 합니다. 그렇지
않으면 축전기가 과열되어 터지게 됩니다. 이때 축전기 내의 산성용액이 사방에 퍼질 수가
있어 기판을 부식시키고, 얼굴이나 피부에 닿으면 손상을 입을 수 있어 위험합니다. 따라서
전해축전기와 같이 극성이 있는 축전기는 교류전압에는 사용할 수가 없습니다.
Ex. 6 여러 축전기의 숫자코드를 읽어 전기용량 값을 알아내고
디지털 LCR 미터로 전기용량을 측정하여 확인한다.
전기저항에 허용일률이 있다면, 축전기에는 허용전압이 있습니다. 즉, 축전기마다 양 전극
사이에 가해줄 수 있는 전압의 상한이 있습니다. 그 이유는 축전기 내부의 유전체에 너무
큰 전기마당이 가해지면 유전파괴(dielectric breakdown)가 생기고 또, 유전체를 통해서도
불순물 때문에 일부 전류가 흐르기 때문입니다.
유전체로 강유전체인 BaTiO3 를 사용한 세라믹축전기는 강유전체가 강유전상전이온도 부근
에서 매우 큰 유전율을 갖는 것을 이용하기 때문에 작은 크기에도 큰 전기용량을 갖는 대신
온도변화에 매우 민감한 특성을 갖습니다. 또한, 세라믹 강유전체의 특성인 경시효과(aging
effect)도 매우 큰 단점이 있습니다.
Ex. 7 세라믹 축전기를 택하여 온도에 따른 전기용량의 변화를
측정해 본다. 또, 강유전 상전이온도(Curie temperature)
이상으로 가열했다가 상온으로 식힌 다음 시간에 따라서
전기용량이 어떻게 변하는지도 살펴본다.
전기회로에서 축전기의 전기용량 값을 변화시킬 필요가 있을 때 가변축전기(varicon;
variable condenser)를 사용합니다. 가변축전기는 여러 전극 판을 갖는 평행판축전기의 한
전극을 회전시켜 전극의 겹치는 면적을 바꾸는 방법을 사용합니다. 전극사이에 공기가 들어
있는 것과 운모나 폴리스틸렌 등 유전체가 들어있는 varicon 이 있습니다.
- 8 -
평행판축전기의 전기용량은 엄밀하게 계산할 수 있기 때문에(물론 끝 효과 등이 생길 수는
있습니다만), 평행판 축전기 회전전극(rotor)의 회전각에 따른 전기용량을 한번 측정해 보는
것도 좋은 경험이 될 수 있습니다. 특별한 가변축전기로 반도체 접합다이오드(diode)의
접합전기용량이 역방향전압(reverse bias voltage)에 따라 변하는 것을 이용한 varactor
diode 또는 varicap(variable capacitor) 이 있습니다. 아래 회로의 D1 이 varactor diode
로 저항 R1 을 통해 가한 (+) 전압에 따라서 발진주파수가 변하게 됩니다. 이에 대해서는
본편(제 3장 아날로그 신호의 발생)에서 varactor diode 를 실습할 때 다루기로 합니다.
Ex. 8 아래의 그림과 같이 일정한 전기용량 C1 의 축전기와
varactor diode D1 을 직렬 연결한 회로에 직류 전원
장치로부터 가변전압 V 를 가하고, diode 의 전압 Vc
를 측정하여, 전압에 따른 전기용량 특성을 구한다.
V
Vc
- 9 -
4) 인덕터의 종류와 인덕턴스 표시방법
코일(coil)로 대표되는 인덕터(inductor)는 인덕터에 흐르는 전류가 변할 때 역기전력(back
electromotive force)이 발생되는 전자기유도(electromagnetic induction) 특성을 이용하는
소자입니다. 전자회로에서는 변압기, 높은 주파수 신호의 차단이나 축전기와 함께 여과
(filtering) 또는 조정(tuning)회로에 사용합니다. 인덕터는 다음과 같은 종류로 구분할 수
있습니다.
고정 인덕터(fixed inductor) - 인덕턴스 값이 일정한 인덕터로서 공심(air core) 또는
훼라이트심(ferrite core)을 사용하고, 형태도 원통형이나
도넛츠형(toroid)의 인덕터들이 쓰이고 있음
가변 인덕터(variable inductor) - 인덕턴스 값이 일정 범위에서 변할 수 있는 인덕터
로서 훼라이트심을 코일 안에 넣는 정도를 바꿔 조절해줌
변압기(transformer) - 공심, 철심(iron core), 또는 훼라이트심 위에 1차 코일과 2차
코일을 감아서 두 코일 간 결합으로 교류전압을 변화시킴
인덕터는 기본적으로는 솔레노이드(적층 포함) 형태의 코일로 이루어집니다. 그러나 직선
도선도 작지만 인덕턴스를 갖고 있음에 주의해야 합니다. 특히 전기저항 중에도 금속선을
감아 만든 권선저항이나 부도체 위에 도체 막을 입힌 뒤 나선형 홈을 내어 저항 값을 맞춘
피막저항은 인덕턴스가 클 수가 있어 고주파(> 10MHz) 회로에 사용할 때 주의해야 합니다.
전자회로에서는 자체인덕턴스를 이용하는 인덕터(코일)와 상호인덕턴스를 이용한 변압기가
쓰입니다. 대부분의 인덕터는 작은 크기의 코일의 인덕턴스를 키우거나 결합자속을 키우기
위해 투자율이 큰 자성물질(ferrite)을 코일 내에 삽입합니다. 자속이 시간에 따라 변할 때
자성물질에 흐르는 와전류를 막기 위해 가는 알갱이를 압착해 만든 dust core 를 사용하고,
저주파(60Hz) 전류가 흐르는 변압기에는 얇은 철편을 포개어 사용합니다.
인덕터도 색깔코드나 숫자코드를 사용하기도 합니다. 색깔코드는 탄소복합저항의 색깔코드
방식으로 읽되 mH 단위로 읽으면 됩니다. 생긴 모양이 전기저항과 비슷하여 자칫 혼동할
수 있으니 주의해야 합니다. 숫자로 적힌 코드는 축전기와 같이 읽되 단위는 mH 입니다.
- 10 -
Ex. 9 여러 가지 인덕터나 변압기(변압기에도 전원장치에 사용되는 전원변압기 외에도
증폭기와 입력장치 또는 스피커의 임피던스를 맞추기 위해 사용하는 입력변압기,
출력변압기, 그리고 고주파회로에 사용되는 중간주파수변압기, CRT 에 사용하는
flyback transformer 등이 있습니다.)를 살펴보고 숫자코드나 색깔코드를 읽어서
측정값과 비교한다.
자성물질을 코일에 넣는 정도에 따라 코일의 인덕턴스 값이 달라지기 때문에 가변 인덕턴스
값을 갖는 인덕터는 대부분 더스트 코어를 나사로 움직일 수 있도록 해 놓았습니다.
Ex. 10 가변 인덕터의 인덕턴스를 측정해 얼마나 바뀌는지 확인한다.
특별하게 솔레노이드 코일의 길이를 조절하는 가장 기본적 방식으로 인덕턴스를 변화시키는
방법도 쓰이긴 합니다만, 전기적 접촉을 사용하기 때문에 큰 전류가 흐르는 경우가 아니면
별로 적합지가 않습니다.
핸드폰과 같이 집적회로(I C)를 사용하는 조밀한 기판에 쓰기 위한 작은
크기의 전기저항과 축전기가 가능한 반면에 인덕터는 아주 작은 크기로
만들기가 어려워 문제가 됩니다. 그러나 요즘은 자성체 bead 를 사용한
surface mount device (SMD) chip 인덕터 들이 있습니다.
또한 축전기는 varactor diode 와 같이 반도체 소자로 대체가 가능하나, 인덕터는 그렇지가
못해 OP AMP 를 사용한 임피던스 변환회로로 축전기를 인덕터로 변환시켜 사용하기도 합
니다. 이에 대해서는 뒤에 본편 제 1장 전기신호의 전달에서 1/4 파장선을 실습할 때 살펴
보기로 합니다.
자성물질을 사용하는 인덕터는 온도가 변하거나 자기마당 안에 놓이면 자성물질의 자화율이
변하기 때문에 인덕턴스 값도 달라집니다. 코일에 직류전압이 가해지거나 교류전류도 큰
전류가 흐르면 인덕터에 흐르는 전류에 의한 자기마당에 의해 자화율 값이 달라질 수 있어
유의해야 합니다.
- 11 -
Ex. 11 자성체가 들어있는 인덕터에 자석을 가까이 가져가 인덕턴스가
어느 정도 변하는지 확인한다. 인덕턴스가 줄어들겠는가 아니면
증가 하겠는가 미리 짐작해본다.
Ex. 12 자성체가 들어있는 인덕터의 온도를 변화시켜보고 온도에 따라
인덕턴스가 어느 정도 변하는지 확인한다. 이때도 미리 예측을
한 뒤 자신의 예측이 옳았는지 알아본다.
전기저항, 축전기, 인덕터의 직렬연결과 병렬연결을 통해 저항, 전기용량, 인덕턴스를 바꿀
수 있는 것은 전자회로의 기본적인 사항입니다. 물리학이나 전기와 자기, 전자학과 계측론
교과목에서 거듭 공부한 것이지만 실측을 통해 살펴봅니다. 정말 그런가요? 만약 그렇지
않다면 무슨 까닭일까요?
- 12 -
5) 반도체(semiconductor)의 특성
반도체란 전기전도도가 금속과 부도체의 사이의 값을 갖는 물체를 가리킵니다. 그러나 더
정확하게는 전자들의 에너지 띠 구조가 작은 크기(~kBT)의 에너지 띠 간격을 갖는 물질을
말합니다. 즉, 원자들이 근접해있는 고체물질에서는 각 원자의 전자들의 상호작용에 의해
전자 에너지 준위들이 띠를 이루고 연속적으로 분포하는 띠구조(energy band structure)를
갖습니다. 이때 전자들로 다 채워지지 않은 띠를 전도전자띠(conduction band)라고 하며,
이 상태의 전자들은 자유롭게 움직일 수 있어서 전기전도에 기여합니다. 전도전자띠 밑의
채워진 띠를 가전자띠(valence band)라고 부르는데 이 상태의 전자들은 자유롭게 이동하지
못하여 전기전도에는 기여하지 못합니다. 전도전자띠와 가전자띠 사이의 에너지는 가질 수
없는 허용되지 않은 띠(forbidden band)라고 하고 이 띠의 폭을 에너지 간격(energy gap)
이라고 합니다. 아래 그림처럼 에너지 간격의 크기에 따라서 물질의 전기전도 특성이 달라
지는데, 에너지 간격이 0 인 금속은 항상 전기를 잘 통하나 에너지 간격이 아주 큰 물질은
전기를 통하지 않는 부도체가 됩니다. 반도체는 작은 크기의 에너지 간격을 갖고 있어서
열에너지(kBT)에 의해서도 가전자띠 윗부분의 일부 전자들은 전도전자띠로 전이가 일어날
수가 있어 어느 정도의 전기전도도를 가지며, 특히 온도가 높아지면 전기전도도가 증가하는
것이 금속과 다른 특징입니다.
반도체에는 Si, Ge 과 같이 원자의 최외각 전자 수인 가전자(valence electron) 수가 4인
4족의 원소들이 있습니다. 이들 원자의 가전자들은 인접한 4개의 주위 원자들과 공유결합
(covalent bonding)을 하게 됩니다.
- 13 -
따라서 가전자들이 자유롭지 못하고 가전자띠 상태를 갖기 때문에 전기전도에 기여를 하지
못하나, 온도가 높으면 전자(원자)의 열운동에 의해서 일부의 가전자들이 자유로워지면서
약하지만 전기전도가 일어납니다.
내재적인 반도체(intrinsic semiconductor)를 전자회로에 활용하기 위해서는 전기전도도를
더 키울 필요가 있습니다. 이를 위해 의도적으로 불순물을 주입하는데 이를 doping 이라고
하고, 주입한 불순물이 전자의 주개(donor)인지 받개(acceptor)인지에 따라서 n 형 또는 p
형 반도체라고 부릅니다. 그리고 이렇게 불순물을 주입한 반도체를 외재적인 반도체
(extrinsic semiconductor)라고 합니다. 주개 불순물은 5가 원소들로서 As, Sb, Bi, P 등
이며 아래 그림과 같이 주개 원자 주위의 Ge(또는 Si) 원자 4개와 공유결합을 하고 남은
한 전자가 자유로이 움직이는 주된 전하수송체(majority carrier) 역할을 합니다.
한편, 받개 불순물은 3가 원소들인 Al, In, Ga, B 등이며, 이 경우 주위의 Ge(또는 Si) 원자
3개와 공유결합을 하고 남은 한 Ge(또는 Si) 원자는 다른 원자로부터 전자가 이동해오면
공유결합을 이루게 되는데 이는 전자가 빈 자리(hole)가 반대로 이동하는 것과 같습니다.
따라서 p 형 반도체에서는 +e 의 전하를 띈 알갱이인 hole 들이 자유로이 움직이는 주된
전하수송체(majority carrier) 역할을 합니다.
- 14 -
열에너지로 인해 깨어진 일부공유결합에 의해서 약간의 자유로이 움직일 수 있는 전자와 또
결합을 이루지 못한 전자가 빈 곳(hole)이 생겨납니다. 공유결합이 깨짐으로 인한 전자와
hole 들도 전하수송에 기여하지만 상대적으로 그 숫자가 매우 적기 때문에 부 전하수송체
(minority carrier)라고 부릅니다. n 형 반도체의 부 전하수송체는 hole 이고, p 형 반도체
경우는 전자들입니다.
- 15 -
6) 다이오드(diode)의 종류 및 특성
다이오드(diode)란 이름 그대로 전극이 둘인 2극진공관을 가리키는 용어였지만, 지금은 대부분
반도체 다이오드를 의미합니다. 다음은 다이오드의 종류들과 주된 용도입니다.
Vacuum tube diode - 고주파신호의 검파 (radio), 교류전압의 정류
Detector diode - 고주파신호의 검파 (radio, TV 등)
Rectifier diode - 교류전압의 정류 (전원회로)
Zener diode, reference diode – 정전압(constant voltage) 회로
Varactor(varicap) diode - 가변 용량기 (자동주파수 조정, 동조회로, 주파수변조 회로)
(Fast) Switching diode – 디지털회로, 정전기 방지회로
Tunnel(Esaki) diode, Gunn diode, IMPATT diode - 마이크로웨이브의 발생
Photodiode - 광 검출기
Light emitting diode(LED), laser diode(LD) - 광원
요즈음 진공관 다이오드는 많이 쓰이지 않기 때문에 반도체 다이오드, 그 중에서도 특히 pn
접합 다이오드(junction diode)에 대해서 살펴봅니다.
(1) pn 접합 다이오드
p-type 과 n-type 불순물이 첨가된 실리콘(Si)이나 게르마늄(Ge) 반도체 결정 둘을 서로
접합시키면 두 영역에 각각 존재하던 주된 전하수송체인 홀(hole)과 전자가 상대영역으로
(detector) diode
varactor diode
Zenner diode
SCR (thyristor)
진공관 다이오드 반도체 다이오드
검은색 다이오드
표면에 흰 띠 또는
투명표면에 검은
띠가 칠해진 쪽이
음극(cathode)임.
- 16 -
확산하면서 각각 상대영역의 전자와 홀을 만나 사라지는 결핍 층(depletion layer)이 접합
주위에 생깁니다. 따라서 결핍 층 내에서는 홀과 전자의 밀도가 접합면으로부터의 위치에
따라 다르게 되는데 이로 인해서 결핍 층을 공간전하영역(space charge region)이라고도
합니다. 그러면 결핍 층의 전하들 때문에 결핍 층에는 전기장이 발생하고, 전기장에 따른
퍼텐셜언덕이 형성됩니다. 이 전기장에 의한 전하의 이동이 전하의 확산을 상쇄시켜 전하
분포가 시간에 따라서 변하지 않고 일정한 정상상태(steady state)가 유지되며, 다이오드
접합에 알짜전류(net current)가 흐르지 않습니다. 이때 접합다이오드 내부에 퍼텐셜
가 형성되는데 이를 내부에 형성된 퍼텐셜(built-in potential)이라고 부릅니다.
이제 다이오드의 p 와 n 영역사이에 전압을 가해주면 퍼텐셜언덕의 높이가 변하게 됩니다.
p 영역에 (+), n 영역에 (-) 전압을 가해주면 퍼텐셜 언덕의 높이를 낮춰주게 되어 전류가
- 17 -
흐르며, 전압을 이상으로 가해주면 큰 전류가 흐릅니다. 따라서 이 방향으로 전압을
가하는 경우를 순방향 바이어스(forward bias)라고 하며, 다이오드의 p 영역의 전극을 양극
(anode), n 영역의 전극을 음극(cathode)이라고 부릅니다. 또, 큰 전류가 흐르기 시작하는
전압을 문턱전압(knee voltage) , ON 전압(on-voltage) , 또는 순방향의 다이오드
전압강하(diode forward voltage drop) 라고도 합니다. 문턱전압은 반도체 물질, 온도,
접합 제작방법에 따라 변하는데 상온에서 Si 다이오드의 경우 ∼ , Ge 다이오드의
경우 ∼ 이지만 Schottky 다이오드의 경우 0.2 V 정도로 낮기도 하고, LED 는
수 V 정도로 높습니다.
한편, 반대방향으로 전압을 가하면 즉, p 영역 전극인 anode 에 (-), n 영역 전극인
cathode 에 (+) 전압을 가하면 퍼텐셜 언덕의 높이가 보다 더 높아져서 전류가 거의
흐르지 못합니다. 이 경우를 역방향 바이어스(reverse bias) 전압을 가한다고 하고 흐르는
전류를 역방향 포화전류(reverse saturation current) I s 라고 합니다. 이제 역방향 전압을
첨두 역방향전압(peak inverse voltage, PIV) 이상으로 높여주면 아주 큰 역방향 전류가
흐르는 역방향 파괴(reverse breakdown)가 일어납니다. 보통 다이오드에서는 이 역방향
파괴가 아주 높은 역방향 전압에서 일어나는데, 특별히 낮은 전압에서 일어나도록 제작한
다이오드들이 있습니다. 역방향 파괴에 의해서 전류가 눈사태처럼 증가하는 것을 이용한
avalanche diode 와, Zener 전압이라고 부르는 특정 전압에서 p 영역의 가전자대의 전자가
n 영역의 전도전자대로 양자역학적 터널링에 의한 Zenner breakdown 이 일어나는 것을
이용한 Zener 다이오드가 이들로서, 이 다이오드들은 일정 전압을 얻기 위한 목적에 주로
사용됩니다.
다이오드의 이 같은 비대칭적 전압 대 전류 특성은 이론적으로 Shockley 의 다이오드 식
(diode equation)으로 나타냅니다. 다이오드 식은
- 18 -
로 주어집니다. 여기서 I s 는 역방향 바이어스 포화전류, 는 다이오드에 가해진 전압,
≃ 는 열 전압입니다. ≫
일 때는
≃
이고, ≪ 일 때는 ≃ 로 근사됩니다.
(2) 다이오드의 표시
다이오드는 미소한 반도체 결정(접합)에 금속선을 부착한 형태로 만들기 때문에 투명 또는
불투명 플라스틱과 금속 포장(capsule)을 사용합니다. 다이오드의 종류는 1N34A, 1N914,
1N4001, 1N5333A 등으로 번호를 붙여 구별하며, 번호는 포장위에 직접 인쇄하거나 색깔
코드로 나타냅니다. 다이오드의 극을 구별하기 위해서는 음극(cathode)쪽에 점을 찍거나,
띠를 두르거나, “k”, “+”, “cath” 등 문자를 적거나 모양을 다르게 합니다만, 더 확실하게
하기 위해서는 아날로그 또는 디지털 멀티미터로 저항이나 문턱전압을 측정해 보면 됩니다.
아날로그 멀티미터로 저항을 측정할 때 (+) 단자(빨간색 탐침)에서는 (-) 전압이, (-) 단자
(검정색 탐침)에서는 (+) 전압이 출력되는 것에 유념해야 합니다. 그러나 디지털 멀티미터
에서는 (+) 단자에서 (+) 전압이, (-) 단자에서 (-) 전압이 출력됩니다.
- 19 -
Ex. 13 다이오드를 택하여 멀티미터로 문턱전압을 조사하거나 순방향과
역방향의 저항 값을 측정해서 양극과 음극을 찾아낸다.
다이오드의 색깔코드 표시방법은 아래 그림과 같이 몇 가지 방법이 있습니다. 1NXX(XX)
형태의 숫자(X)를 나타내는 방법은 전기저항 값의 색깔코드와 같은 무지개 색을 바탕으로
한 코드입니다만 두 자리, 세 자리 또는 네 자리 숫자가 있고 또, 뒤에 붙는 문자도 색깔로
나타내기 때문에 조금 더 복잡합니다.
(3) 다이오드의 규격
다이오드의 특성은 다이오드 규격표에서 다이오드의 번호로 찾습니다. 과거에는 규격표가
책으로 출간되어 사용되었지만 지금은 인터넷에서 다이오드의 번호로 datasheet 를 찾아서
보면 됩니다. 다이오드의 특성을 기술하는 주요 규격은 다음과 같습니다.
- 20 -
직류 차단전압(dc blocking voltage, VR)
평균 순방향 전압강하(average forward voltage drop, VF)
평균 순방향 전류(average forward current, IF)
평균 역방향 전류(average reverse current IR)
봉우리 과도 전류(peak surge current, ISURGE)
봉우리 역방향 전압(peak reverse voltage, PRV)
역방향 전류(reverse current, IR)
특정 전류 값에서의 최대 순방향 전압강하(maximum forward voltage drop at
indicated forward current, VF@IF)
역방향 회복시간(reverse recovery time, trr)
또, 다이오드의 등급은 다이오드가 파괴되지 않을 작동조건의 한계를 가리키며 다음과 같은
양들로 나타냅니다.
최대 순방향 전류(maximum forward current)
봉우리 순방향 반복 전류(peak recurrent forward current)
최대 과도전류(maximum surge current)
봉우리 역방향 전압(peak reverse voltage)
몇 가지 다이오드의 주요규격의 예는 다음과 같습니다.
- 21 -
다이오드를 다룰 때 주의해야 할 점은 다음과 같습니다.
1. 전압이 가해져 있는 회로에서 다이오드를 떼어내거나 삽입하지 말아야 합니다.
2. 다이오드를 회로에서 떼어낼 때 무리한 힘을 가해서 떼어내지 말아야 합니다.
3. 다이오드에 납땜을 할 때 너무 많은 열이 가해지지 않도록 주의해야 합니다.
4. 다이오드를 검사할 때 전압이 다이오드의 최대 허용전압을 넘지 않도록 합니다.
5. 다이오드의 두 전극에 한꺼번에 손을 대면 정전기에 의해 파괴될 수 있습니다.
6. 다이오드를 교체할 때는 항상 같은 다이오드나 동종의 다이오드로 교체합니다.
7. 다이오드를 교체할 때 반드시 바른 극성으로 연결이 되었는지를 확인합니다.
8. 다이오드를 검사할 때 다이오드의 한쪽 극을 회로에서 떼어내고 검사합니다.
9. 다이오드의 역방향 저항과 순방향 저항의 비가 10~100 이상 되어야 합니다.
Ex. 14 다이오드를 택하여 전압 대 전류(I-V)특성을 조사하고 문턱전압
및 역방향 포화전류와 역방향 파괴전압을 알아낸다.
- 22 -
7) 트랜지스터(transistor, TR)의 방식 및 특성
트랜지스터(transistor, TR)란 3 단자의 능동소자로서 여러 가지 기능을 갖는 전자회로의
기본이 되는 소자라고 할 수 있습니다. 트랜지스터(TRANSfer resISTOR)의 어원 그대로
입력신호의 전류에 비례하는 출력전압으로 변환시켜서 증폭을 하는 반도체 장치로 3개의
요소(element) 또는 단자(terminal)를 필요로 합니다. 전하수송체인 전자 또는 홀(hole)을
방출하는 에미터(emitter), 전하수송체를 조절하는 베이스(base), 전하수송체를 받는 콜렉터
(collector)로 이루어집니다.
(1) 접합 트랜지스터(junction transistor)
n 형과 p 형의 반도체를 접합해 만드는 양극 접합 트랜지스터(bipolar junction transistor,
BJT)는 뒤에 전기장효과 트랜지스터(field effect transistor, FET)가 출현하기 전부터 주로
사용되던 트랜지스터로 아직도 많이 사용되고 있습니다.
① 접합 트랜지스터의 구조
접합 트랜지스터는 구조상으로 pn(또는 np) 접합 다이오드와 np(또는 pn) 접합 다이오드가
인접해 있는 형태로 아래 그림과 같이 NPN 형과 PNP 형의 두 가지가 있습니다.
접합형 트랜지스터는 실리콘 단결정을 키울 때 불순물 첨가를 달리하면서 키워 제작하기도
하지만 대부분은 단결정 웨이퍼의 일부분에 불순물 물질은 얹은 뒤 열처리를 통해 녹이거나
확산을 통해 접합을 만듭니다.
② 접합 트랜지스터의 표시
NPN 과 PNP 형 트랜지스터의 회로도에서 기호표시는 형태를 따라 다음과 같이 정하고,
에미터-베이스 간 다이오드접합의 순방향 화살표 표시로 NPN 형과 PNP 형을 구별합니다.
- 23 -
다음은 트랜지스터들의 다양한 모양들입니다. 대부분 세 개의 핀을 갖고 있으나, 두 개만
보이는 경우는 케이스가 콜렉터(또는 에미터) 전극이 되는 경우입니다. 트랜지스터에 따라
핀 배치가 다를 수 있으므로, 규격표를 통해서 확인을 하고 사용해야 합니다.
③ 접합 트랜지스터의 검사
트랜지스터의 베이스(B)와 에미터(E), 베이스(B)와 콜렉터(C)간의 접합은 접합다이오드와
동등하기 때문에 다이오드와 같은 문턱전압과 전압 대 전류 특성을 보입니다. 이를 통해서
트랜지스터의 불량여부와 PNP/NPN 형인지를 알아낼 수 있습니다. 아래 그림은 다이오드
문턱전압 측정기능을 갖고 있는 디지털 멀티미터로 트랜지스터의 에미터(E)-베이스(B) 사이
다이오드 접합의 문턱전압을 측정하는 경우를 나타낸 것입니다. 실리콘 트랜지스터의 경우
순방향으로 측정하는 문턱전압은 ~0.65V, 일정전류로 역방향으로 측정된 바이어스전압은
트랜지스터에 따라 다르지만 수 V 이상으로 높은 전압을 보여야 정상입니다.
이번에는 같은 트랜지스터의 에미터(E)-베이스(B) 사이 다이오드 접합의 전기저항을 측정한
경우를 나타낸 것입니다. 실리콘 트랜지스터의 경우에 순방향 저항은 1kW 이하, 역방향은
측정범위를 벗어날 정도로 큰 값이 정상입니다.
베이스(B)-콜렉터(C) 접합에 대해서도 같은 방법으로 조사할 수 있습니다.
Ex. 15 트랜지스터를 택하여 테스터로 전극 간 문턱전압을 조사하거나 전극 간
저항을 측정해 베이스전극을 찾고, pnp 또는 npn 타입인지를 알아낸다.
- 25 -
④ 접합 트랜지스터의 규격
트랜지스터는 2Nxxxx, 2SAxxxx, 2SBxxxx, 2SCxxxx 등 많이 쓰는 이름 외에 제작회사
마다 다양한 작명법을 쓰고 있어서 이름만으로 그 종류나 용도를 알아내기가 어렵습니다.
각 트랜지스터마다 제조회사에서 제공하는 data sheet 이 있고, 여러 트랜지스터의 규격을
모아놓은 규격집이 있어서 핀 배치와 함께 특성을 참고할 수 있습니다. 규격표에서 찾아볼
수 있는 특성은 다음의 예와 같습니다.
- 26 -
Ex. 16 트랜지스터를 택하여 규격표를 찾아보고 타입과 어떤 용도에 쓰일 수
있는지 또, 최대허용 값과 전기적인 사용특성 등을 알아보고 낯익힌다.
⑤ 접합 트랜지스터의 작동
트랜지스터는 기능상으로는 베이스(base, B)와 에미터(emitter, E) 간 전류 에 의해서
콜렉터(collector, C)와 에미터 사이의 전류 가 제어되는 특성을 갖습니다. 특히, 작은
베이스전류( )의 변화로 큰 콜렉터전류( )의 변화를 초래하기 때문에 전류증폭 작용을
갖게 되고, 따라서 트랜지스터는 증폭기(amplifier)나 발진기(oscillator) 등으로 사용됩니다.
이를 위해서 베이스-에미터 간에는 순방향으로, 베이스-콜렉터 간에는 역방향으로 전압을
가합니다. 아래 그림은 NPN 트랜지스터와 PNP 트랜지스터에 대해서 각각 베이스-에미터
및 베이스-콜렉터 바이어스와 흐르는 전류의 방향을 나타낸 것입니다.
- 27 -
이제 베이스-에미터 전압과 베이스-콜렉터 전압을 동시에 가하면 트랜지스터의 증폭작용을
가능하게 하는 베이스-에미터 전류와 베이스-콜렉터 전류의 상호작용이 발생합니다. 즉,
순방향으로 전압이 가해진 에미터로부터 방출되어 베이스 영역으로 들어간 주 전하수송체
(NPN 트랜지스터의 경우는 전자, PNP 트랜지스터의 경우는 홀)의 대부분은 베이스-콜렉터
사이에 가해진 전압(이 전압은 베이스-에미터 사이의 전압에 비해 더 큼)에 의해서 콜렉터
쪽으로 끌려서 콜렉터 전류 IC 가 됩니다. 베이스 전류 IB 와 콜렉터 전류 IC 는 비례하며,
IC ≫ IB 이기 때문에 전류 증폭효과를 기대할 수 있습니다. 이는 베이스 영역의 폭이 매우
좁아서 베이스 영역으로 들어간 전하(전자 또는 홀)들이 베이스 영역의 주 전하수송체(홀
또는 전자)들과 재결합을 하지 않고 콜렉터 영역으로 진입할 수 있음에 기인합니다. 아래
그림에서 트랜지스터 내부의 화살표는 전하수송체의 운동방향을, 외부의 화살표는 전류의
방향을 나타냅니다.
많은 접합 트랜지스터에서 IB < (0.02~0.05) IE 이기 때문에 트랜지스터 회로에서는
IE = IC + IB ≃ IC
이고, 베이스-에미터 접합은 순방향이기 때문에 베이스-에미터 전압 VBB 는 베이스-에미터
접합 다이오드의 문턱전압(Si 의 경우 ~0.65V)입니다.
(2) 트랜지스터 증폭회로
트랜지스터를 사용하는 방법 중에서 흔히 쓰이는 것은
옆 그림과 같이 에미터(E) 전극을 접지하는, 또는 입력
전압과 출력전압을 에미터 전극에 대한 값으로 정하는,
공통에미터(common emitter) 회로입니다. 베이스와
에미터 사이에 순방향으로 문턱전압 0.7V 보다도 큰
전압이 가해지면( ) 트랜지스터는 ON 상태가
됩니다. ON 상태에서는 콜렉터와 에미터 사이 저항이
작아지면서 큰 전류가 흐르게 됩니다. 이때 출력전압
은 거의 0 이 됩니다.
한편, 입력전압이 문턱전압보다도 작거나 역방향으로 가해지면( ) 트랜지스터는
OFF 상태가 됩니다. 이때는 콜렉터와 베이스 사이 저항이 커지면서 전류가 거의 흐르지
못합니다. 따라서 출력전압은 가 됩니다. 즉, 트랜지스터는 스위치 역할을 합니다.
Ex. 17 트랜지스터를 택해 아래 그림과 같이 베이스 전압 , 콜렉터 전압
를 변화시키면서 다음을 측정해 본다.
1) 몇 가지 값에서 베이스 전압 대 베이스 전류 의 변화
2) 몇 가지 값에서 콜렉터 전압 대 콜렉터 전류 의 변화
또, 트랜지스터의 전류 증폭율 를 알아낸다.
트랜지스터 회로를 해석할 때 꼭 기억해야 할 것은 베이스-에미터 간의 문턱전압과 그에
따른 트랜지스터의 ON-OFF 상태로의 스위칭 특성이 있다는 것입니다. 즉, 아래 그림의
회로에서 베이스와 에미터 사이 전압 가 되도록 베이스 전류 가 흐릅니다.
- 29 -
이 트랜지스터의 전류 증폭율을 라고 하면 콜렉터 전류 와 에미터 전류 는
이고
이어서 베이스 전류 와 콜렉터-에미터 사이 전압 는
입니다. 베이스, 에미터 및 콜렉터 전압은 각각
위 회로에서 베이스 저항 는 베이스 전류가 많이 흐르는 것을 방지하고 원하는 값으로
만들어주기 위한 목적으로 사용하고, 콜렉터 저항 는 트랜지스터에 전류가 너무 많이
흘러 손상되는 것을 방지하며, 증폭기회로의 출력전압( )과 전압 증폭율
- 30 -
∆
∆≃∆
∆
≃
및 출력저항( 와 의 병열연결)을 결정합니다.
Ex. 18 다음 그림과 같은 공통에미터 회로의 베이스전류 , 콜렉터전류 ,
에미터전류 , 콜렉터 전압 를 예측하고, 회로를 꾸며 확인한다.
사용하는 트랜지스터의 전류증폭율 를 알아내어 규격표와 비교한다.
pnp 접합 트랜지스터의 경우에도 npn 트랜지스터와 마찬가지이나 베이스와 콜렉터전압이
반대 극성으로 가해지는 것이 차이점입니다.
전자회로에서는 편의성 때문에 따로 베이스전원 를 사용하지 않고 콜렉터전원 를
이용하는 방법을 사용합니다. 가장 간단한 방법은 그림과 같이 콜렉터 전원 로부터
저항 를 통해 베이스에 순방향 전류를 흘리는 방법입니다. 그러나 이 방법으로는 문턱
전압 +0.7V 보다 낮은 전압신호에 대해서는 트랜지스터가 OFF 상태가 되어 출력전압이
- 31 -
포화되므로 증폭기로 사용이 불가능합니다. 그러나 입력신호의 크기에 따라서 출력전압이
변하는 스위치로는 사용할 수 있습니다.
트랜지스터를 증폭기로 작동하기 위해서는 베이스와 에미터 사이의 접합은 순방향 전압을
가해주고(그래야 베이스 전류가 흐르므로), 콜렉터와 베이스 사이의 접합에는 역방향으로
전압을 가해줍니다.(그래야 트랜지스터의 전류가 포화되지 않고 전류 증폭효과가 생깁니다.)
트랜지스터회로가 연속적으로 변하는 교류신호에 비례해서 출력전압을 증폭하기 위해서는
베이스-에미터 사이의 접합이 항상 ON 상태가 되도록 베이스 또는 에미터에 직류전압을
가하는 바이어스(bias)방법을 사용합니다. 가장 흔히 사용되는 바이어스방법으로는 콜렉터
전원 를 이용해 베이스에 직류전압을 가하고 또, 에미터 저항 에 흐르는 전류에
의해서 생겨나는 전압을 에미터에 이용하는 것입니다. 그림에서 베이스 전류 보다 큰
전류가 흐르도록 저항 과 를 택하면 베이스 전압은
이고, 에미터 전압은
이므로, 에미터 전류는
≃
입니다. 콜렉터 전류는 ≃ 이므로, 콜렉터 전압은
≃ ≃
≃
가 됩니다. 이를 증폭기의 정적상태(quiescent state)라고 합니다. 즉, 입력신호를 가하지
않은 상태에서 회로를 흐르는 전류와 전압을 말합니다.
- 32 -
(참고) 엄밀하게 말하면 트랜지스터의 전류증폭작용에 의해서 베이스로 흐르는 전류 는
베이스-에미터 간 다이오드의 문턱전압과 에미터 저항 의 (교류) 전류증폭율
배인 저항 값 를 통해서 흐르는 것과 같습니다. 따라서 전류 는
전압 이 저항 과 의 병렬연결과 직렬로 연결된 저항
를 통해서 흐르는 전류와 같습니다.
Ex. 19 그림과 같은 바이어스 회로의 정적상태의 베이스 전압 , 콜렉터
전압 , 에미터전압 를 예측하고, 회로를 꾸며서 확인해본다.
회로의 저항 값들을 정하는 방법은 다음과 같습니다.
1) 출력신호가 항상 0 ~ 사이에 있어 깎이지 않도록 정적상태의 출력전압을
부근으로 정합니다. 정적상태에서의 트랜지스터 전류 를 규격표를
보고 정합니다.
2) 정적상태에서의 출력전압( )을 , 전압 증폭율을 로 하려면
- 33 -
이고, 이므로 이로부터 와 를 정합니다.
3) 정적상태에서 에미터 전압이 ≃ 이고, 베이스 전압은
이므로 정적상태의 베이스전압을 알아냅니다.
4) 정적상태에서의 베이스 전압이
이므로, 저항 과 를
흐르는 전류를 베이스전류 보다 10배 이상 큰 한도 안에서 최소가 되도록
정합니다.
Ex. 20 공통에미터 회로의 바이어스 저항들을 설계하고 실제로 제작하여 원하는
대로 작동하는지 확인해본다.
① 공통에미터 증폭회로(Common-emitter transistor amplifier circuit)
증폭기용 전자회로에서는 대부분 교류신호를 증폭하게 됩니다. 그런데 앞서 언급한 바와
같이 트랜지스터 증폭회로에서는 동작범위를 정하기 위해 바이어스 전압을 사용하기 때문에
직류전압이 서로 영향을 미치는 것을 방지하기 위해 직류전압을 차단하는 축전기(이 경우에
사용하는 축전기 과 를 blocking capacitor 라고 합니다.)를 사용하고 또, 바이어스
전압이 교류신호에 의해 영향 받는 것을 피하기 위해서 교류신호를 통과시켜버리는 축전기
(이 경우에 사용하는 축전기 를 by pass capacitor 라고 합니다.)를 사용합니다.
이 회로의 정적인 특성은 앞서의 직류에서와 같습니다.
공통에미터 증폭회로의 입력임피던스는 비교적 낮으며(저항 , , 의 병렬연결),
출력임피던스는 큽니다.(저항 와 직렬연결된 , 의 병렬연결)
Ex. 21 아래 공통에미터 증폭회로의 전압증폭율과 동작영역(dynamic range)을
찾아내고, 회로를 만들어서 확인해본다. 입력신호의 주파수에 따라서 이
특성들이 어떻게 변하는지 살펴본다.
- 34 -
위 회로에 사용하는 축전기는 직류를 차단하거나 교류성분을 없애주는 역할을 하지만, 다른
한편으로는 저항과 함께 RC 여과기를 형성하여 증폭기의 주파수특성을 악화시키는 문제를
일으킵니다. 이를 해결하기 위하여 축전기를 사용하지 않고 연달은 증폭회로 사이를 직접
연결하는 직결회로(direct coupled circuits)가 쓰이기도 합니다. 단, 이를 위해서는 서로
연결된 증폭회로의 바이어스 전압들이 면밀하게 책정되어야만 합니다.
Ex. 22 위 3단(3 stage) 직결 증폭회로의 정적인 특성을 살펴보고 또, 각단의
증폭율을 알아낸다. 가능하면 회로를 설계하고 만들어서 확인해본다.
간혹, 콜렉터 전원과 함께 반대 극성의 에미터 전원을 따로 사용하여 바이어스 효과를 보는
방법도 사용됩니다. 이 경우도 정적인 상태는 이므로 이에 따라 트랜지스터의
전류 와 , 그리고 콜렉터 전압 가 결정됩니다. 이 증폭회로의 전압 증폭율은
- 35 -
∆
∆ ≃
로 일반적인 공통에미터 증폭회로와 같습니다.
Ex. 23 위 양극 전원을 사용한 공통에미터 증폭회로의 전압증폭율과 동작영역
(dynamic range)을 찾아내고, 회로를 만들어서 확인해본다.
공통에미터 증폭회로가 잘못되었을 때 어디가 잘못되었는지 찾아내는 것도 중요하나 이를
위해서는 회로에 대한 깊은 이해와 상당한 경험을 필요로 합니다. 다음에 몇 가지 경우의
증상과 고장원인을 소개하니 살펴보고 스스로 고장에 대한 진단을 해보기 바랍니다.
Ex. 24 고장이 난 위의 증폭기 회로들을 만들어서 실증을 해보고, 또한
정상회로의 경우 해당하는 측정값들을 예측한 다음 확인해본다.
② 에미터 따르기회로(emitter follower circuit)
트랜지스터 증폭회로 중 특별히 출력임피던스를 낮추기 위해(또는 입력임피던스를 높이기
위해) 사용하는 회로입니다. 이 회로는 이름 그대로 출력전압을 콜렉터 대신 에미터에서
가져오며, 전압증폭율이 ≃ 이기 때문에 따르기(follower) 라는 이름이 붙여졌습니다.
여기서도 베이스 전압이 (+)로 낮거나 (-)의 전압이 되면 트랜지스터가 OFF 상태가 되므로
바이어스 전압을 가해서 (-)의 입력 전압에도 동작을 하도록 합니다. 에미터 따르기회로의
바이어스방법도 저항 을 통한 베이스전류 바이어스방법과 저항 과 에 의한 전압
분배(voltage divider) 베이스전압 바이어스방법이 있습니다. 또, 에미터 저항 에 의한
에미터 되먹임 바이어스(emitter feedback bias)도 함께 작용합니다.
- 36 -
Ex. 25 위 에미터 따르기회로의 정적인 특성(직류특성)을 해석하고 또,
회로를 꾸민 뒤 측정을 통해서 확인한다.
에미터 따르기회로의 교류특성은 베이스-에미터 사이의 전압이 로 일정하게
유지되므로 입력전압의 변화 과 베이스전압의 변화 가 같습니다. 즉, 출력저항(부하
저항)에 가해지는 출력전압 이 입력전압 과 같습니다. 에미터 따르기회로의 전압
증폭율은
입니다. 실제로는 베이스-에미터간의 동적인 저항인 또는 과 의 병렬연결
- 37 -
저항 │ 에 의한 전압강하가 생겨서 전압 증폭율이 1 보다 줄어듭니다. 또한,
공통에미터 증폭회로에서의 인 것과는 달리 에미터 따르기회로의 출력전압 파형은
입력전압 파형과 같은 위상( )입니다.
Ex. 26 위 에미터 따르기회로의 교류 증폭특성을 측정을 통해 확인한다.
에미터 따르기회로의 출력 임피던스는 에미터 저항 와 트랜지스터의 콜렉터-에미터 간
저항 의 병렬연결입니다. 에미터 저항 를 작은 값(< 1 kW)으로 택할 수 있으므로,
에미터 따르기회로의 출력 임피던스는 일반적으로 공통에미터 증폭회로의 출력임피던스보다
작습니다. (공통에미터 증폭회로에서는 전압증폭율을 키우기 위해 콜렉터 저항 를 크게
택하기 때문에 출력임피던스가 큽니다.)
한편, 에미터 따르기회로의 입력저항은 베이스의 동적인 저항
와 바이어스 저항 , 의 병렬연결로서 전류 증폭율 ∼ 이므로, 출력저항
에 비해서 매우 큽니다. 따라서 특별히 출력임피던스를 낮추기 위한 용도로 에미터 따르기
회로를 공통에미터 증폭기회로에 연결하여 사용하기도 합니다.
③ 다아링톤 접속회로(Darlinton circuit)
한 트랜지스터의 전류 증폭율에는 한계가 있습니다. 따라서 한 트랜지스터로 얻을 수 있는
값보다 큰 전류 증폭율을 얻고자 하면 두개(또는 여러 개의) 트랜지스터를 마치 업고 있는
형태로 접속해서 사용합니다. 이를 다아링톤 접속(Darlington connection)이라고 부르며,
이렇게 접속된 트랜지스터들은 마치 전류 증폭율 × 를 갖는 트랜지스터와
같은 역할을 합니다. 아예 한 트랜지스터와 같이 모듈화된 패키지도 쓰이고 있습니다.
Ex. 27 위 다아링톤 접속 트랜지스터회로의 전류 증폭율을 알아본다.
- 39 -
Ex. 28 다음 다아링톤 접속 트랜지스터를 사용한 에미터 따르기
회로의 특성을 분석하고, 회로를 꾸며서 실측해본다.
- 40 -
④ 밀고-끌기(push-pull) 증폭회로
공통에미터 증폭회로 등에서 증폭된 신호가 일부 cut-off 상태에 의해 찌그러는 것을 방지하기
위해 biasing 이 필요합니다. 그러나 biasing 은 회로의 동작점을 이동시켜 정적인 상태에서도
큰(∼ ) 출력전압을 발생시킵니다. 즉, 무신호시에도 부하저항과 트랜지스터에 큰 전류
(~ 최대전류/2)가 흘러 전력효율을 떨어뜨립니다. 이를 해결하기 위해 고안된 것이 밀고-끌기
(push-pull) 출력회로입니다. 밀고-끌기 출력회로에는 같은 타입의 트랜지스터를 중심선
(center tap)이 있는 입력과 출력변압기를 사용하여 대칭적으로 배치시키는 회로가 있습니다만
변압기가 고가이고, 주파수에 따른 특성이 제한되어 있어 자주 사용되지는 않습니다.
입력신호의 극성에 따라 과 가 교차하며 ON 이 되면서 출력변압기에 전류를 흘립니다.
또한, 동등한 특성을 갖는 pnp 타입과 npn 타입의 트랜지스터 쌍(complementary pair)을 사용
하는 회로가 있습니다. 이 회로는 정적인 상태(무신호시)의 출력전압을 0 으로 만들 수 있어서
고효율이지만 (+) 와 (-) 의 양극성을 갖는 전원이 필요한 것이 단점입니다.
- 41 -
교류신호만을 증폭하는 경우에는 한 극성의 전원을 사용해서도 밀고-끌기 회로를 구성할 수가
있습니다. (교류)신호가 없을 때는 트랜지스터 과 모두 OFF 상태가 되도록 바이어스를
합니다. 바이어스 저항 양단의 전압을 보다 약간 낮게 택하면 과 가
함께 OFF 상태가 되므로 과 를 통해서는 전류가 거의 흐르지 않습니다.
Ex. 29 위의 밀고-끌기(push-pull) 회로에서 양단의 전압을 구하고
정적인 상태에서의 , 의 베이스 전압과 출력전압을 구한다.
(+) 극성의 입력신호가 가해지면 저항 에 추가 전류가 흐르기 때문에 의 베이스 전압이
높아지고, 저항 을 흐르는 전류는 줄어들기 때문에 의 베이스 전압도 높아집니다. 그러면
- 42 -
는 OFF 상태로 있으나 은 ON 상태로 되어 의 콜렉터-에미터간 저항이 낮아지면서
부하저항 의 전압이 (+)로 증가하고 전류가 흐릅니다. 한편, (-) 극성의 입력신호를 가하면
저항 에 흐르는 전류가 줄어들고 저항 을 흐르는 전류는 늘어나기 때문에 과 의
베이스 전압이 낮아집니다. 그러면 은 OFF 상태로 남아있으나 는 ON 상태로 바뀌어져,
의 저항이 낮아지면서 부하저항 의 전압이 감소하고 부하전류가 반대방향으로 흐르게
됩니다. 따라서 입력신호의 극성에 따라서 과 가 교차하면서 낮은 저항 상태가 되지만,
그러나 두 트랜지스터가 모두 동시에 낮은 저항이 되지 않기 때문에 과 를 통한 전류는
거의 흐르지 않아서 전력소모가 적습니다.
이들 밀고-끌기 출력회로는 한 가지 결함을 갖고 있는데, 트랜지스터의 특성 때문에 입력
신호가 (-)에서 (+)로 또는 (+)에서 (-)로 바뀌는 작은 전압영역에서는 출력신호가 찌그러지는
교차 찌그러짐(crossover distortion) 현상이 그것입니다.
이 교차 찌그러짐은 트랜지스터의 베이스-에미터간 접합의 ± 미만의 입력전압에서는
- 43 -
두 트랜지스터가 모두 OFF 상태가 되기 때문에 출력전압이 입력전압에 비례하지 않고 0 이
되기 때문입니다.
이를 해결하기 위해서는 저항 대신에 다이오드 과 를 사용하는 아래의 회로가
쓰이기도 합니다. 이때 다이오드 과 는 각각 트랜지스터의 베이스-에미터 간 ON
전압 과 같은 문턱전압을 갖는 보상다이오드(compensating diodes)들을 사용합니다.
그러면 정적상태(무신호시)에도 과 가 ON 이 되어 전류가 좀 흐르면서 증폭회로의
전력효율을 떨어뜨리지만 교차 찌그러짐은 방지할 수 있습니다. 이를 다이오드 바이어스
방법이라고 부릅니다.
- 44 -
Ex. 30 아래 다이오드 바이어스를 사용한 밀고-끌기(push-pull) 회로에서
정적인 상태에서의 , 의 베이스 전압을 구한다. 회로를 꾸며
입력신호의 크기를 바꿨을 때 출력전압과 전류의 그래프를 구한다.
또, 아래와 같이 변형된 회로들도 있습니다. (a)는 축전기 한 개를 사용한 입력회로이고,
(b)는 바이어스 저항 대신에 공통에미터 증폭회로를 사용해서 여기에 입력된 신호로
과 의 베이스 전압을 조절하는 방법입니다.
- 45 -
한편, (a) 와 같이 전류증폭율이 큰 다아링톤 접속을 한 트랜지스터를 사용하는 경우에는
접속에 사용된 트랜지스터의 수만큼 다이오드의 수를 증가시킵니다. 트랜지스터의 베이스-
에미터간 접합이 직렬로 연결되어 교차 찌그러짐 현상을 방지하기 위해서는 다이오드의 총
문턱전압도 증가시켜야 하기 때문입니다. (b)는 다이오드 대신에 트랜지스터의 에미터와
베이스간 접합을 사용한 것으로 와 를 각각 과 와 같은 트랜지스터를 쓰면
됩니다.
- 46 -
8) 전기장효과 트랜지스터(field effect transistor, FET)의 종류 및 특성
접합 트랜지스터의 입력저항이 낮은 단점을 보완하기 위해 개발된 전기장효과 트랜지스터는
반도체를 사용한 3단자(3 terminal) 전압조절 소자로서 접합 트랜지스터와 함께 증폭이나
스위칭 등에 쓰이고 있습니다. 전기장효과 트랜지스터에는 접합 FET(junction-gate FET,
JFET)과 금속산화막 전기장효과 트랜지스터(metal-oxide-semiconductor FET, MOSFET)
가 있습니다. 이들에 대해서 각각 살펴봅니다.
(1) 접합 전기장효과 트랜지스터(Junction Field Effect Transistor, JFET)
n-type 또는 p-type 으로 도핑(doping)된 몸체(body)의 양쪽 옆면에 다른 type 불순물을
확산시켜서 도핑한 게이트(gate, G) pn 접합을 이용해 전하수송체의 이동을 제한시킵니다.
전하수송체(n-type 몸체에서는 전자, p-type 에서는 hole)가 통과하는 좁은 통로를 채널
(channel) 이라고 하며, 게이트의 역방향 전압에 의해 pn 접합 공핍층(depletion layer)의
두께를 변화시켜 이 채널의 폭을 조절합니다. 즉, 게이트 전압 로 소스(source, S)에서
드레인(drain, D)으로의 전류 를 조절하는 방법으로 전압증폭 효과를 갖습니다. 소스와
드레인은 모두 반도체 몸체에 저항성 접촉(ohmic contact)을 시키기 때문에 소스와 드레인
간은 저항 값을 변화시킬 수 있는 저항체 역할을 합니다. 또, 게이트 전압은 게이트-소스
사이 다이오드 접합의 역방향으로 가하기 때문에 전류가 거의 흐르지 않아서(∼)
입력저항이 매우 큽니다. (~1010 W)
위 그림에서 n 채널의 JFET 인 경우 게이트는 p 형으로 도핑하기 때문에 게이트와 소스
사이는 pn 접합이 되어 게이트에 (-) 전압을 가해 채널의 폭을 줄여줍니다. p 채널의
JFET 에서는 n 형 게이트에 (+) 전압을 가해줍니다.
- 47 -
JFET 의 이름은 한 때는 2SJxxx 등으로 구별해 썼지만, 그 외에 2Nxxxx 나 다른 이름도
쓰이기 때문에 이름만으로 JFET 인지를 구별해내기가 어렵습니다. 겉모양도 bipolar
junction transistor 나 IC 등과 유사해 생긴 모양으로 JFET 인지 알아내기도 어렵습니다.
따라서 제품 번호를 보고 규격표나 규격집을 찾아보는 수밖에 없습니다.
JFET 의 회로기호는 채널 물질과 게이트의 도핑 형에 따라 게이트 화살표의 방향을 다르게
표시하며, 특히 드레인과 소스를 서로 바꿔 사용할 수 있는 JFET 의 경우 게이트 화살표를
중앙에, 그렇지 않은 경우 소스의 위치에 그립니다.
① 접합 전기장효과 트랜지스터(JFET)의 특성
JFET 의 전기적 특성은 게이트 전압 에 따른 소스와 드레인 사이의 전압 대 전류
특성입니다. 특히 게이트와 소스를 서로 연결(short)했을 때의 소스와 드레인 사이의
전류를 라고 하며, channel 이 막혀서 전류가 흐르지 못하는 게이트 소스 간 전압을
게이트 소스 차단전압(gate source cutoff voltage) , 소스와 드레인 사이 전압을
증가시킬 때 더 이상 전류가 증가하지 않는 전압을 막힘 전압(pinchoff) voltage 라고
합니다. 게이트-소스 간의 전압 를 일정하게 유지한 채 소스-드레인간 전압 를
증가시키면 까지는 에 비례하여 드레인 전류 가 증가하다가, 가 pinchoff
전압 를 넘어서면 전류가 더 이상 증가하지 못하고 포화됩니다. 게이트 소스 차단전압
(< 0)과 막힘 전압(pinchoff) 전압 는 크기가 비슷하고 부호가 반대입니다.
Ex. 31 JFET 를 택해서 전극 사이의 저항특성을 측정
하여 채널의 타입과 전극을 알아낸다.
FET 의 특성은 전달전도율(transconductance)로 나타냅니다. 전달전도율은
≡∆
∆ (단위는 siemens, S ≡ W-1)
전달전도율은 다음 그림과 같이 게이트-소스 간 전압 에 대한 포화 드레인 전류
를 구한다음 그래프를 그려 대 커브의 기울기로부터 구합니다. 즉, 전달전도율
은 의 함수가 됩니다.
- 48 -
Ex. 32 아래 그림의 JFET 회로에서 이고,
일 때 드레인 전류 가 포화영역으로 작동할 수 있는 최소전압
를 구하고, 실제 회로를 꾸며서 확인해본다.
- 49 -
(2) 금속-산화물-반도체 전기장효과 트랜지스터(Metal-oxide-semiconductor field
effect transistor, MOSFET)
게이트가 절연된 전기장효과 트랜지스터(insulated gate FET, IGFET)의 대표적인 형태로,
입력저항이 매우 크고(107~108 MW) 큰 출력(high power) 능력도 갖고 있어서, 전치증폭기
(preamplifier)와 대 출력의 트랜지스터에도 많이 쓰입니다. 또한, 제작방법이 집적회로에
걸맞아서 거의 모든 집적회로용으로 폭넓게 사용됩니다.
기판(substrate) 위에 n-type 또는 p-type channel 을 얹고 소스(S)와 드레인(D) 전극을
부착하며, 게이트(G)를 얇은 산화 막(주로 silicon dioxide, SiO2 막)을 사이로 부착합니다.
따라서 게이트는 소스나 드레인과 전기적으로 절연되어 있어서 JFET 보다 입력저항이 더
큽니다.(> 1014 W) 또, 게이트와 소스 사이에는 접합이 아니기 때문에 (+)나 (-)의 전압을
모두 가할 수 있습니다. 채널(chanel, body)을 이루는 반도체의 doping 정도에 따라서
cut-off 상태가 결정되며, 도핑 농도가 큰 depletion 방식(depletion mode)과 농도가 작은
enhancement 방식(enhancement mode)이 있습니다.
(MOSFET 의 다양한 package)
- 50 -
MOSFET 의 이름도 한 때는 2SKxxx 등으로 구별해서 썼지만, 그 외에 2Nxxxx 나 다른
이름도 쓰이기 때문에 이름만으로 JFET 인지를 쉽게 구별해내기란 쉽지가 않습니다. 겉
모양도 bipolar junction transistor 나 IC 등과 유사하여 역시 모양만으로 MOSFET 인지
알아내기도 어렵습니다. 따라서 제품 번호를 보고 규격집을 찾아보는 수밖에 없습니다.
아래는 지난 10년간 연도에 따른 MOSFET 제품의 출현과 MOSFET package 의 변천을
나타내는 그림입니다.
또, 다음 페이지에는 트랜지스터와 FET 의 이름으로 type 을 구별하는 방법에 대한 간략한
설명이 있습니다. 그러나 항상 이 같은 방법이 적용되는 것은 아니기 때문에 다이오드나
트랜지스터, FET, SCR 등의 규격표를 실험실에 비치하는 것이 좋습니다.
- 51 -
H owA brief overview of how to identify a part by looking at what's marked on the
device
Transistors - Most Japanese or Korean transistors will be marked with an A, B, C,
D, J, H or K prefix followed by the part number. Japanese numbers are prefixed
with a 2S, or a 3S (even though this may or may not be marked on the part,
depending on the case style) and Korean parts with a KS, or KT (for such makers
as KEC or Samsung). Just because a part says C2316 doesn't mean it is a 2SC2316
made by Sanken. Samsung also makes a KSC2316, which is a different device
altogether. Check the case style and the logo, if any, on the device.
Did you know? - All Japanese semiconductor part numbers are registered to a
specific manufacturer by the EIAJ? (Electronic Industry Association of Japan) For
example Toshiba makes the 2SD1555, and therefore that part number belongs to
Toshiba only. The only time you will see D1555 on a part not made by Toshiba is
when a company not registered with the EIAJ produces them, such as some
Chinese semiconductor companies.
Did you know? - The Japanese transistor numbering system is organized so that
you can tell what type of part it is just by the number? For example all 2SA's and
2SB's are PNP types, all 2SC's and 2SD's are NPN types, and all 2SJ, 2SK's and
3SK's are FET types with the J's being P channel, and the K's being N channel.
Part Number Prefixes - Both the Japanese and American manufacturers use families
of prefixes that can easily identify what the manufacturer of the device is. For
example:
CTB, CTG, CTM, and CTU prefixes = Sanken diodes
CXA, CXB, and CXK prefixes = Sony Integrated circuits
DBA, DBB, DCA, DFB, DFC, and DFD prefixes = Sanyo diodes
DTA, DTB, and DTC prefixes = Rohm transistors
ERB, ERC, ERD, ESAC, ESJA, and ESJC prefixes = Fuji diodes
FMB, FMG, FML, and FMU prefixes = Sanken diodes
FT prefixes = Fujitsu Integrated circuits
HA, HB, HC, HD, HG, HM and HS prefixes = Hitachi Integrated circuits
LA, LB, LC, and LE prefixes = Sanyo Integrated circuits
SI, STR, STRD, STRM, STRS and STRZ prefixes = Sanken Integrated circuits
SLA, SMA, and STA prefixes = Sanken transistor arrays
STK prefixes = Sanyo thick film IC's
TA, TB, TC, and TD prefixes = Toshiba Integrated circuits
UPA, UPB, UPC, and UPD prefixes = NEC Integrated circuits
VPA, VPH, VPM and VPS prefixes = Sanyo video packs
- 52 -
① Depletion mode MOSFET (D-MOSFET)
Channel 반도체의 도핑 불순물의 양을 많게 하면 공핍층(depletion layer)이 얇아지면서
channel 은 넓어집니다. 그러면 게이트에 전압을 가하지 않을 때( )도 드레인 전류
는 거의 포화상태가 됩니다.
- 53 -
② Enhancement mode MOSFET (E-MOSFET)
Channel 반도체의 도핑 불순물의 양을 적게 하면 공핍층(depletion layer)이 두꺼워지면서
channel 은 좁아집니다. 그러면 게이트에 전압을 가하지 않을 때( )는 드레인 전류
는 차단(cutoff) 됩니다. 대부분의 MOSFET 은 enhancement mode 를 사용합니다.
- 54 -
FET 는 게이트가 얇은(두께 1.2nm) 산화막을 사이로 channel 과 맞보고 있으므로 게이트
전압이 커지면 절연파괴(dielectric breakdown)가 일어나 사용할 수 없게 됩니다. 따라서
MOSFET 을 다룰 때는 게이트나 소스 등 단자에 정전기가 전달되지 않도록 전도성 코팅이
되어있는 포장용기 내에 보관하고, 단자는 손으로 만지지 않는 것이 좋으며 또, 부득이하게
만질 때는 손을 먼저 접지시키거나 접지시킨 상태로 만져서 정전기를 제거시켜야 합니다.
③ MOSFET 의 특성
Depletion mode MOSFET 의 전압-전류 특성은 JFET 와 유사합니다. 즉, 드레인 전류
로 하기 위해서는 게이트에 역방향으로 를 가해주어야 합니다.
Enhancement mode MOSFET 의 전압-전류 특성은 에서 인 것이 특징으로
드레인 전류를 흘리기 위해서는 순방향으로 게이트 전압 를 가해주어야 합니다.
위 특성곡선에서 보면 드레인-소스 간 저항 가 드레인-소스 간 전압 에는 무관
하고, 게이트-소스 간 전압 에는 의존하는 선형영역(linear region, ohmic region)이
있습니다. 이 영역의 MOSFET 은 전압( )조절 저항기에 해당합니다. 또, 드레인-소스
- 55 -
간 저항 가 무한대로 크고, 드레인 전류 가 에는 의존하나 에는 무관한
포화영역(saturation region)이 있습니다. 이 영역의 MOSFET 은 전압( )조절 전류원의
역할을 합니다. 한편, 가 흐르기 시작하는 최소의 를 임계전압(threshold voltage)
이라고 합니다.
Ex. 33 MOSFET 를 하나 택하여 그 타입과 전압-전류 특성을 실측한다.
Ex. 34 아래 D-MOSFET 회로의 드레인 전류 와 드레인-소스 간
전압 를 구하고 회로를 만들어서 실측해본다.
Ex. 35 아래 E-MOSFET 회로의 드레인 전류 와 드레인-소스 간
전압 를 구하고 회로를 만들어서 실측해본다.
- 56 -
(3) FET 의 바이어스(bias) 방법
일 때 ≠ 인 n-channel 이나 p-channel 의 JFET 나 D-MOSFET 의
경우 간단히 소스 저항 를 연결함으로써 의 역방향 바이어스 전압을 해결할
수 있습니다.
위 회로에서 소스-게이트 간 전압은 가 됩니다. 경우에 따라서는
저항 대신에 전류원을 사용하기도 합니다.
Ex. 36 위 JFET 의 바이어스회로를 분석하여 의 게이트-소스 간
전압을 구한다.
n-channel JFET p-channel JFET
- 57 -
D-MOSFET 의 경우 BJT 에서와 같이 저항 과 를 사용한 자체 바이어스 방법과
양극 전원을 사용하는 방법도 사용합니다.
E-MOSFET 의 경우 일 때 이미 가 되므로, 게이트의 자체 바이어스법이
쓰입니다.
- 58 -
9) 연산증폭기(operational amplifier)의 사용방법과 특성
연산증폭기(operational amplifier, OP AMP)는 이름 그대로 여러 가지 수학연산(비교하기,
더하기, 빼기, 곱하기, 나누기, 적분, 미분 등)을 할 수 있는 증폭기회로로 실험실에서 많이
사용되는 소자(소자들의 모음)입니다. 고 증폭율(전압 증폭율 Av = 105~106)의 직결(dc
coupled)식 차동증폭기(differential amplifier)로서 사용할 때는 거꾸로 되먹임(부궤환,
negative feedback)을 활용하여서 두 입력전압의 차이가 없어지는 동작상태를 이용합니다.
거꾸로 되먹임이란 출력신호의 일부를 입력 측에 입력신호와 반대위상으로 되돌리는 것을
말하며, 거꾸로 되먹임을 사용하면 전압 증폭율이 감소하는 단점은 있으나 증폭기 안정화에
도움이 됩니다. 또한, 나아가 입력임피던스가 증가하고, 출력임피던스가 감소하는 장점이
있습니다. 따라서 연산증폭기의 특징으로는 연산증폭기의 내부로 입력전류가 거의 흐르지
않아 입력임피던스가 대단히 크며, 임의의 전압 증폭율을 선택하기 용이하고 또, 일정하게
유지하기가 수월합니다.
연산증폭기에는 필요한 트랜지스터와 저항을 모아 플라스틱 몰드(mould)를 한 potted
module, 소형화된 소자들을 집적화한 하이브리드(hybrid) IC 와 제작할 때 집적을 시킨 IC
형태가 있는데, 예전에는 모듈이나 하이브리드형 OP AMP 는 주로 고주파수 신호나 고속의
신호처리에 사용되고 IC 형태는 저주파수 영역의 범용으로 쓰였으나 요즈음은 모두 IC 화
하는 것이 추세입니다. IC package 에도 8 pin DIP(dual in-line package), 16 pin DIP,
8 lead SOIC(small outline IC), 5 lead SOT(small outline transistor) package 들이 주로
쓰이고 있습니다.
- 59 -
(1) 연산증폭기의 구조
가장 많이 쓰이는 DIP 형태의 IC 들은 핀 번호를 구별하기 위해서 1번 핀의 위치를
package 에 점으로 표시하거나, 홈(notch)을 파서 홈으로부터 시계바늘 반대방향으로 1번
에서부터 순차적으로 번호를 매깁니다.
OP AMP 의 핀은 기본적으로는 2개의 입력단자와 한 개의 출력단자, 그리고 (+) 와 (-)
의 전원단자가 필요하여 최소 5개의 핀이 필요합니다. 여기에 다른 기능(예: Offset null)
들을 포함하여 핀의 수가 많아지며, 16 pin DIP 의 경우 여러 개의 OP AMP를 한 IC 에
넣는 경우도 있습니다.
OP AMP 의 내부는 차동증폭기, 전압증폭기와 밀고-끌기 출력회로로 이루어져 있습니다.
- 60 -
다음은 가장 흔하게 사용되던 741 OP AMP 의 내부 회로도입니다. 빨간색 영역은 각각
전류거울(current mirror)회로이고, 입력 단의 차동증폭기회로(파란색 영역), 전압증폭회로
(분홍색 영역), 출력회로(하늘색 영역) 그리고 전압을 바꿔주는 회로(초록색 영역)으로 구성
되어 있습니다.
위 그림에서 왼쪽의 두 전류원은 입력신호의 직류성분을 거꾸로 되먹임에 의해 안정시키고
common mode signal 을 차단시키는 역할을 합니다. 즉, 39kW 의 저항에는 일정전류
( 는 Q11 과 Q12 의 다이오드 전압)
가 흐르는데, Q10 의 콜렉터전류는 의 작은 fraction 인 일정한 값이 됩니다. 이 일정
전류가 Q9 의 콜렉터전류와 Q3, Q4 의 베이스전류를 공급합니다. Q8 과 Q9 의 전류거울은
Q9 의 콜렉터전류와 Q3 와 Q4 의 콜렉터전류를 같게 만듭니다. 결국 Q3 와 Q4 의 베이스
전류는 Q10 의 콜렉터전류의 작은 fraction 이 되는데, 이는 아주 작은 일정한 전류이어서
이와 같은 정도인 입력전류(Q1 과 Q2 의 베이스전류)를 아주 작게 만들어줍니다. 만약 어떤
이유에서 입력전류가 증가하면 Q8 과 Q9 의 전류원이 Q3 와 Q4 의 베이스전류를 줄임으로
입력전류를 줄여주게 됩니다.
입력단은 Q1, Q2 에미터따르기회로로 Q3, Q4 와 함께 차동증폭기를 이룹니다. Q5~Q7 은
전류원으로 차동증폭기의 능동부하(active load) 역할을 합니다. 이 회로는 또 Q3, Q4 의
차동입력신호를 Q6 의 콜렉터에서 single ended 신호로 바꿔주는 역할도 합니다. Offset-
null 핀 사이에 가변저항을 연결, Q5 와 Q6 의 발란스를 조절함으로써 입력신호가 가해지지
않았을 때의 출력전압을 조정합니다.
- 61 -
전압증폭단에 가해진 (차동)신호는 두 NPN 트랜지스터 Q15 와 Q19 가 Darlington 접속되어
Q12, Q13 의 전류원으로부터 콜렉터에 연결됨으로써 큰 전압 증폭율을 얻습니다. 이때
30pF 축전기는 높은 주파수 영역에서 거꾸로되먹임 효과를 주어 증폭단의 안정도를 키우기
위한 목적입니다. 이 같은 기술을 밀러상쇄(Miller compensation)라고 부릅니다. Q16 은
콜렉터와 에미터 사이에 전류에 관계없이 일정 전위차(≈ 1V)를 만들어 주는 역할을 합니다.
밀고-끌기(push-pull) 출력의 교차 찌그러짐(crossover distortion)을 막아주기 위한 목적
으로 사용합니다. 여기에 대해서는 본편(제 6 장 신호의 증폭)에서 다시 다룹니다.
출력단은 Q14 와 Q20 의 에미터따르기(emitter follower) 밀고-끌기 회로입니다. 바이어스
전압은 전압원 Q16 과 Q16 의 베이스 저항들에 의해 정해집니다. 출력전압의 범위는 출력
트랜지스터 Q14 와 Q20 의 ON 상태에서의 전위차 ≈ 때문에 ± 로부터 각각
1V 작은 값입니다. 25W 저항은 Q14 의 전류측정용으로서 Q17 과 함께 Q14 의 전류를 ≈
25mA 이하로 제한하는 역할을 합니다. (-)의 출력전류에 대한 제한은 Q19 의 에미터저항
50W 의 전압강하를 써서 Q22 를 통해 Q15 의 베이스 전압을 조절함으로 이루어집니다.
- 62 -
Ex. 37 Q17 회로가 어떻게 Q14 의 에미터 전류를 ≈25mA 이하로 제한하는지
설명한다.
Ex. 38 Q19, Q22 및 Q15 의 회로가 어떻게 Q20 의 에미터 전류를 제한하는지
설명한다.
이상적인 OP AMP 는 차동 입력임피던스 Zin = ∞ 이고 출력임피던스 Zout = 0 이며, 전압
증폭율도 Av = ∞ 입니다. 그러나 실제로는 (mA741 OP AMP 의 경우) Zin ≈ 2MW 이고
출력임피던스 Zout = 75W 이며, 전압증폭율도 Av = 2×105 입니다. 그러나 거꾸로 되먹임을
사용하면 입력임피던스는 증가하고, 출력임피던스는 감소합니다.
(2) 거꾸로 되먹임(부궤환, negative feedback)
거꾸로 되먹임이란 출력신호의 일부를 입력으로 되돌리되 180o 위상차를 갖도록 하면(즉,
차동증폭기의 뒤집는 입력단자로 되돌리면), 출력신호의 크기 즉, 닫힌회로 전압 증폭율은
줄어들지만 OP AMP 의 포화(saturation)를 방지하는 등 동작이 안정화됩니다. 또한, 입력
저항이 증가하고 출력저항을 낮추는 효과도 있습니다. 따라서 OP AMP 는 거의 모든 경우
거꾸로 되먹임을 사용합니다.
- 63 -
(3) 바로 증폭기(noninverting amplifier)
입력신호는 바로 입력(noninverting input)단자에 가하며 뒤집는 입력(inverting input)단자
에는 되먹임회로(저항 Ri 와 Rf 의 전압분할기)로 출력전압을 가합니다.
그러면 뒤집는 입력단자의 전압은
인데, (열린회로) 전압증폭율이 매우 큰 차동증폭기는 이 전압과 입력전압 이 같아지게
출력전압 을 출력합니다. 따라서, 바로증폭기의 전압 증폭율은
이 거꾸로 되먹임 회로는 전압 되먹임(voltage feedback) 효과를 이용한 것입니다.
OP AMP 의 입력임피던스를 Zin, 입력전류를 Iin, 열린회로(open loop)의 전압 증폭율을 Av
라고 하면, 거꾸로 되먹임을 한 바로 증폭기의 입력임피던스는
로, 거꾸로 되먹임을 하지 않았을 때(≈ 2MW)에 비해 크게 증가(~ 20GW) 합니다.
- 64 -
거꾸로 되먹임에 의해 입력임피던스가 증가하는 이유는 입력전류 Iin 이 줄어든 때문입니다.
한편, 출력임피던스는 그림과 같이 출력을 쳐다보았을 때의 임피던스로서 보통 열린 출력
전압(open circuit voltage) 즉, 부하전류가 0 이었을 때의 출력전압 과 닫힌 출력전류
(short circuit current) 즉, 부하저항이 0 일 때의 출력전류 의 비로 구합니다.
OP AMP 의 출력임피던스를 Zout, 출력전류를 Iout, 열린회로(open loop)의 전압증폭율을 Av
라고 하면, 거꾸로 되먹임을 한 바로 증폭기의 출력전압은
≃
이어서
이고, 바로 증폭기회로의 출력을 접지(ground)했을 때의 출력전류는
입니다.
v
If
- 65 -
따라서 거꾸로 되먹임을 한 바로 증폭기의 출력임피던스는
로, 거꾸로 되먹임을 하지 않았을 때(≈ 75W)에 비해 크게 감소(~ 0.01W) 합니다.
Ex. 39 아래 그림과 같은 바로증폭기의 전압증폭율을 구하고 실제로 회로를
만들어서 확인해본다. 주파수에 따라서 어떻게 달라지는지 조사한다.
(4) 전압 따르기(voltage follower)
바로 증폭기회로에서 Ri = ∞, Rf = 0 인 경우로서, 따라서 전압증폭율은 Gv = 1 로 쓸모가
없는 것 같지만, 대단히 큰 입력임피던스(Zin → ∞)와 매우 작은 출력임피던스(Zout < 1W)를
가져 애용되는 회로입니다.
Ex. 40 mA741 OP AMP 를 사용한 전압 따르기의 입력임피던스와
출력임피던스를 구한다.
(5) 뒤집는 증폭기(inverting amplifier)
입력신호는 뒤집는 입력(inverting input) 단자에 저항 Ri 를 통해 가하며 저항 Rf 를 통해
출력전류의 일부를 거꾸로 되먹임합니다. 또, 바로 입력(noninverting input) 단자는 접지
(ground)를 합니다. 이때 뒤집는 입력단자는 가상접지(virtual ground)가 됩니다.
- 66 -
저항 Ri 에 흐르는 전류를 i 라고 하면 Rf 에도 같은 전류가 흐릅니다. 또,
이므로, 전압증폭율은
입니다. 뒤집는 증폭기는 전류 되먹임(current feedback) 효과를 이용한 회로입니다.
뒤집는 증폭기의 뒤집는 입력단자가 가상접지가 되므로 입력임피던스는
입니다.
OP AMP 의 열린회로 출력임피던스를 Zout, 열린회로(open loop)의 전압증폭율을 Av 라고
하면 거꾸로 되먹임을 한 뒤집는 증폭기의 열린회로 출력전압은
이고, 출력을 접지했을 때의 전류는
- 67 -
Iout
Ifv
이므로, 뒤집는 증폭기의 출력임피던스는
로, 거꾸로 되먹임을 하지 않았을 때(≈ 75W)에 비해 크게 감소(~ 0.01W) 합니다.
Ex. 41 아래 그림과 같은 뒤집는 증폭기의 전압증폭율을 구하고 회로를
만들어 확인한다. 주파수에 따라서 어떻게 달라지는지 조사한다.
(6) OP AMP 의 주파수(속도) 특성
실제 OP AMP 는 전압증폭율이 신호의 주파수의 함수로 변합니다. 특히 주파수가 문턱주
파수(threshold frequency) 이상이 되면 증폭작용이 소멸되며, 여기서 는 전압증폭율
이 1 이 되는 주파수를 의미합니다. 또, 한정된 응답율(slew rate)을 가져 고속으로 신호
처리가 어려워집니다. 응답율이란 신호가 바뀔 수 있는 최대속도를 말하며, 보통 그림과
같이 급작스레 변하는 신호를 가했을 때 증폭기의 출력이 변화를 따라가는 속력을 V/ms 로
나타내거나 신호의 크기가 10% 에서 90% 사이로 변하는 시간으로 나타내기도 합니다.
- 68 -
Ex. 42 위 그림과 같은 OP AMP 의 응답율 측정회로를 만들어 응답율을
측정해본다. 응답율은 거꾸로 되먹임에는 영향을 받지 않는다고
한다. 이것도 확인해본다.
- 69 -
10) 납땜기술(soldering technique) 및 기타
납땜은 전자회로실습의 기본입니다. 납이 갖고 있는 독성 때문에 납을 대체할 수 있는 땜
재료물질이 개발되고 있고 납땜 자체를 대체할만한 방법이 없으란 법은 없어 조만간에 다른
방법이 나올 수도 있겠습니다만, 아직까지는 납땜하지 않는 전자회로란 상상하기가 어려운
것이 사실입니다. 회로를 시험하고자할 때는 납땜을 하지 않고 간편하게 회로를 구성하는
빵판(breadboard)이라고 부르는 기판을 사용하지만, 지구성이 약하기 때문에 임시로 사용할
때만 활용됩니다. 전자회로 실습에는 자주 사용되기 때문에 빵판의 사용법부터 살펴보기로
합니다. 이와 함께 실습이나 상용의 전자회로를 제작하는데 사용되는 인쇄회로기판
(printed circuit board, PCB)에 대해서도 기술합니다.
(1) 빵판(breadboard)
빵판(breadboard)이란 원래 긴 식빵을 자를 때 빵을 올려놓고 자르는데 사용하는 두꺼운
나무판을 가리키는데, 오래 전에 진공관식 라디오 등을 제작할 때 비슷한 판을 사용한데서
이름이 기인했고, 나중에 전자회로를 꾸미는데 사용되는 얇은 판도 같은 이름으로 부르고
있습니다.
특별하게는 전원장치나 가변저항기 등을 포함하는 세트도 있지만 대부분의 경우에는 저항,
축전기, TR 등 소자나 연결선을 꼽을 수 있는 판만을 가리킵니다.
- 70 -
다음 사진은 빵판의 한 예입니다. 빵판에 뚫린 구멍은 아래 그림과 같이 그룹으로 연결이
되어있으므로 사용할 때 주의해야 합니다.
빵판을 이용하는 요령은 다음과 같습니다.
1. 빵판의 연결선은 22번선 한 가닥의 선을 사용합니다. 적당한 길이로 자른 뒤 양끝의
절연피복을 1cm 가량 벗겨내어 구멍에 끼워 넣습니다. 선을 구멍에 끼울 때 무리한 힘을
가하지 않도록 합니다.
2. 길게 선으로 연결된 구멍들(bus)은 직류전원이나 접지(ground)로 활용합니다.
3. 회로는 가급적 간결하게 연결시킵니다. 소자들을 잇는 연결선이 너무 길어지면 선의
부유용량(stray capacitance) 때문에 원치 않는 발진(oscillation)을 일으키거나 높은 주파수
(rf)의 잡음을 유발할 수 있습니다.
4. 신호의 이동경로를 쉽게 파악할 수 있도록 신호를 빵판의 왼쪽으로부터 오른쪽으로
전달하는 형태로 회로를 구성합니다.
5. 배선을 쉽게 알아볼 수 있도록 연결선을 색깔별로 구성합니다. 예를 들면 전원선은
빨간색, 접지선은 검정색을 사용합니다.
- 71 -
(2) 인쇄회로 기판(printed circuit board, PCB)
상용의 회로를 양산하는 방법으로 부도체 판의 단면 또는 양면에 입혀진 구리 막에 필요한
부분을 남기고 나머지 막을 제거하거나 부도체 판 표면에 필요한 연결선을 입힌 것입니다.
이때 스크린 인쇄나 광 마스크 보호막(photoresist) 같은 인쇄기법을 활용하기 때문에 붙은
이름입니다.
전자회로 실습을 위해 인쇄회로 기판을 만들어 사용할 필요는 없습니다만, 미리 정형화된
패턴으로 만들어진 기성(prototype) 인쇄회로 기판들이 있어서 애용됩니다. 자주 사용되는
인쇄회로 기판은 저항, 축전기 등 소자를 끼워 넣을 수 있는 구멍들이 뚫려져 있고 밑면은
빵판(breadboard)과 같은 모양으로 연결되어 있습니다. 그러나 빵판을 사용할 때와는 달리
소자나 연결선을 구멍에 끼워 넣은 뒤에 구멍에 묻어있는 납 테두리에 납땜을 해 고정하여
사용하기 때문에 재활용이 어렵고 일회용입니다. 정식 인쇄회로 기판을 만드는 번거로움을
피하고 전자회로를 꾸미는데 사용됩니다. 이때도 연결선의 길이는 가능한대로 짧게 하고
인접한 소자들끼리 단락(short)이 되지 않도록 소자의 발(lead)은 기판에 납땜을 한 뒤 짧게
끊어냅니다.
(3) 납땜(soldering)
납땜은 납땜인두를 이용하여 전기접촉부위와 땜납을 가열시킴으로 땜납을 녹여 접촉부위가
낮은 전기저항을 지속적으로 유지토록 하는 단순한 작업입니다만 실제로 제대로 된 납땜을
하기 위해서는 약간의 지식과 또, 손이 작업에 익도록 많은 경험이 필요합니다. 여기서는
- 72 -
몇 가지 지식을 제공할 터이니 나머지는 각자의 부단한 실습을 통해 채워가기 바랍니다.
시체 말로 땜 쟁이(전자회로를 많이 다루는 사람들이 스스로 자신들을 낮춰 부르는 말이나,
이 말은 이들을 비하한다기 보다는 일종의 애칭으로 보아야 함.)들은 납땜에 의해 엄지와
검지의 지문이 다 없어져야 땜 쟁이라고 불린다는 말을 하듯이 납땜도 많이 해 봐야 제대로
납땜을 할 수가 있습니다.
1. 현재 전자회로에 사용되고 있는 땜납은 납과 주석의 합금으로서 녹는 온도를 낮추기
위해 공융점(eutectic point) 183oC 에서 녹는 비율(Sn/Pb) = 63/37 을 사용합니다.
또, 땜납은 산화막으로 덮인 금속표면에 잘 퍼지게 하기위해 산성의 송진(paste)을
내부에 포함시킨 것과, 그렇지 않은 것(무납이라고 부름)으로 구별됩니다. 전자회로
용으로는 가는 굵기(0.5mm 직경)의 선으로 송진을 포함하고 있는 땜납을 사용하는
것이 좋으며, 필요에 의해 무납을 사용할 때는 송진을 땜납에 묻혀서 써야 합니다.
2. 사용하는 인두도 매우 중요합니다. 전자회로용 납땜인두로는 예외 없이 전기인두를
사용합니다만 발열량이 충분하면서도 필요할 때만 가열되는 2중의 온도 조절 형식의
인두에 인두 끝(solder tip)이 뾰족하고 긴 것이 좋습니다. 인두 끝에는 항상 땜납이
묻어있도록 하고, 인두가 데워졌을 때 인두 끝을 물에 적신 종이에 문질러서 산화된
땜납을 제거하고 새로 납을 묻히도록 합니다.
3. 회로에 납땜을 할 때는 소자의 인입선(lead)을 때워 붙이려는 곳에 끼워 넣거나, 꼬아
붙이거나, 손(또는 핀셑이나 라디오 펜치)으로 붙잡고 달궈진 인두 끝을 갔다댄 뒤
땜납을 녹이면서 적당량의 납이 묻으면 인두를 떼면 됩니다. 이때 땜납이 굳을 때
까지는 4~5 초 동안 소자가 움직이지 않도록 해야 하며 또, 납땜은 가능한 한 짧은
시간에 마쳐야 합니다. 인쇄회로 기판(PCB)에 납땜을 하는 경우 기판에 납땜인두를
너무 오래 대고 있으면 기판으로부터 인쇄회로가 들뜨게 됩니다. 손가락으로 소자를
붙잡고서 납땜을 하는 경우 소자가 매우 뜨거워져 손가락의 지문이 사라지는 원인이
됩니다.
4. 납땜을 할 때 어쩔 수 없이 납땜하는 소자가 가열되므로 반도체 소자와 같이 과열을
방지해야 할 경우 소자의 인입선을 라디오 펜치 등으로 붙잡고 납땜을 해야 합니다.
5. 에나멜선과 같이 피복이 입혀진 경우에는 납땜을 하기 전에 피복을 베껴내야 합니다.
피복이 없는 경우에도 구리선의 산화 막은 미리 칼로 긁어내는 것이 좋습니다. 또한
납땜으로 접촉을 시킬 선의 표면에 먼저 납을 입힌(이를 tinning 이라고 부름) 뒤에
접촉시켜 땜을 하는 것이 좋습니다.
6. 납땜을 했다고 해서 납땜한 부위가 역학적으로나 전기적으로 항상 안전하다고 할 수
없습니다. 특히 납땜 경험이 많지 않을 때는 잘 된 것 같아도 실제로는 그렇지 못한
경우가 많습니다. 따라서 납땜이 된 부위를 잡아당기거나 전기저항을 측정하여 땜이
제대로 되었는지 확인하는 것이 좋습니다.
7. 납땜부위에 남아있는 송진은 산성을 띄고 있기 때문에 장기적으로는 문제를 일으킬
수 있어 땜을 한 뒤에 제거하는 것이 좋습니다. 특히 스테인레스 철과 같은 표면에
납땜을 할 때는 산화막을 제거하기 위해 산성의 항산화 액체용액(flux)을 도포한 뒤
송진이 들어있지 않은 무납으로 땜을 해야 하는데, 땜을 한 뒤에는 반드시 알카리성
용액(탄산수소나트륨 수용액)으로 남아있는 산성의 항산화용액을 중화시켜야 합니다.
그러지 않으면 시간이 지나면서 땜을 한 부위가 부식되어 전기접촉을 상하게 됩니다.
- 73 -
특히 진공용기에 납땜을 할 때는 부식된 곳을 통해 공기가 드나들 수 있기 때문에 이
같은 중화작업이 필수입니다.
8. 알루미늄과 같은 일부 금속에는 납땜이 되지 않습니다. 이런 경우 전기접촉을 하기
위해서는 나사를 사용해서 선을 물리적인 힘으로 눌러 접촉시켜야 하는데 이때, 미리
표면을 긁어 표면에 칠해진 페인트나 산화막을 제거시켜야 합니다. 특히 알루미늄의
표면을 전기도금(anodizing)해 보기 좋게 색을 낸 표면은 부도체가 되므로 유의해야
합니다.
9. 열의 전달이 빠르고 열용량이 큰 물체의 표면에 납땜을 할 때는 표면이 땜납의 융점
이상으로 가열되기가 어려우므로 열의 발생이 큰 인두를 사용하여 표면을 2~3초간
빨리 달군 뒤 즉각 납을 입히고 끝내야 물체의 온도를 필요이상으로 상승시키지 않고
납땜을 할 수 있습니다.
Ex. 43 납땜인두를 켠 뒤 끝(tip)의 온도가 시간에 따라서 어떻게 변하는지
확인한다. 달궈진 인두를 껐을 때 얼마나 빨리 식는지도 확인한다.
Ex. 44 한 diode 를 기판(PCB)에 여러 차례 납땜을 하면서 납땜 후에 안전
여부를 테스터로 확인한다. 열에 의해서 파괴되는 것도 경험한다.
Ex. 45 납땜을 연습하고, 납땜기술을 기르는 방법으로 다음을 시도해 본다.
1) 다 사용한 건전지의 음극에 구리선을 납땜해본다. 열용량이 큰
건전지에 매끈한 납땜이 되기 위해서는 약간의 기술이 필요함.
2) 고장 난 이어폰 선을 납땜으로 이어본다. 이어폰 선은 가늘고
절연코팅이 된 여러 가닥의 선이어서 납땜을 하는데 고난도임.
전자회로에서는 이미 납땜이 되어있는 소자를 떼어내야만 할 경우도 있습니다. 붙어있는
소자를 상하지 않으면서 회로에 납땜이 된 소자를 떼어내기 위해서는 땜납제거기
(desoldering tool)를 사용하거나 간단히 땜납제거용 망(desoldering wick)을 사용합니다.
가변인두기(15/80W) 인두기 팁 크리너 실납 paste
- 74 -
수동 흡입기형 땜납제거기의 피스톤을 누른 뒤 입구를 떼어낼 소자의 인입선 주위로 가져온
후 인입선에 붙어있는 납을 납땜인두로 녹이면서 땜납제거기의 버튼을 누르면 압축되었던
용수철이 피스톤을 움직이면서 주위의 공기를 빨아들여 이때 녹은 납도 함께 빨려 들어가는
식으로 회로에 붙은 납을 제거하는 방식입니다. 땜납 제거용 망은 동축선의 바깥 전극선
보다 촘촘하게 망처럼 만든 것으로, 끝부분을 납을 제거할 곳에 대고 납땜인두로 가열하면
회로와 소자 인입선에 붙어있던 납이 녹으면서 모세관현상으로 인해서 땜납 제거용 망으로
빨려 들어가게 되는데 가는 선으로 망을 만들었으므로 표면적이 넓어 녹은 납의 대부분이
망으로 옮겨지는 원리입니다.
Ex. 46 못 쓰는 회로기판에서 여러 가지 소자들을 떼어내 본다.
이때 떼어낸 소자들을 다시 사용할 수 있도록 노력한다.
(4) 접촉저항(contact resistance)
전자회로에서 전기신호를 한 곳에서 다른 곳으로 이동할 때 납땜을 한 접속을 이용하기도
하지만, 필요에 따라서는 떼었다, 붙였다를 손쉽게 할 수 있는 접촉(breakable contact)을
이용하기도 합니다. 본편(제 1 장 전기신호의 전달)에서 살펴볼 BNC 연결기구(connector)
를 통한 신호의 전달이 그 한 예입니다. 이뿐 아니라 핸드폰의 이어폰 플러그, 핸드폰이나
컴퓨터 자판과 마우스의 버튼, USB 메모리의 연결, 전등 스위치, 전원 콘센트에 꽂는 전원
플러그 등 일상에 무수히 많은 전기접촉이 쓰이고 있습니다. 전자회로에서도 빵판에 꽂은
연결선이나 소자의 인입선(lead), 인쇄회로 기판(PCB)의 IC 소켓에 끼운 IC 의 핀(pin)도
전기접촉을 통해 주변 회로와 연결됩니다. 그럼에도 불구하고 이런 전기접촉들을 통해서
전류가 어떻게 흐르는지에 대해서는 아직 잘 알고 있지 못합니다.
Ex. 47 BNC 연결기구를 BNC receptacle 에 끼워 신호를 전달할 때 어디와
어디 사이의 접촉저항이 관여하고 있는지 생각해 보고 테스터로 접촉
저항을 측정해 본다. 제대로 측정이 되는가?
이어폰 플러그와 잭 사이에도 어떤 접촉저항이 관여하는지 생각해보고
저항을 측정해 본다. 이어폰과 잭 중에는 접촉부위에 금 피막을 입힌
것들이 있는데, 이 경우 접촉저항이 어떻게 달라지는지 알아본다. 왜
금 피막을 입혔는지도 생각해본다.
땜납제거용 수동흡입기 땜납제거용 그물망