공통 이미터

일렉트로닉스에서 공통 이미터 또는 커먼 이미터(common emitter) 증폭기는 세 가지 기본 단일 스테이지 접합형 트랜지스터 (BJT) 증폭기 토폴로지 중 하나이며, 일반적으로 전압 증폭기로 사용된다. 이는 높은 전류 이득 (일반적으로 200), 중간 입력 저항 및 높은 출력 저항을 제공한다. 공통 이미터 증폭기의 출력은 반전된다. 즉, 사인파 입력 신호의 경우 출력 신호는 입력에 대해 180도 위상차를 갖는다.^[1]

그림 1: 기본 NPN 공통 이미터 회로 (바이어스 세부 사항 제외)

이 회로에서 트랜지스터의 베이스 단자는 입력으로, 컬렉터는 출력으로 사용되며 이미터는 둘 다에 공통이다 (예를 들어, 접지 기준 또는 전원 공급 레일에 연결될 수 있음). 따라서 이름이 붙여졌다. 유사한 FET 회로는 공통 소스 증폭기이고, 유사한 진공관 회로는 공통 캐소드 증폭기이다.

이미터 감쇠

그림 2: 이미터 저항기를 추가하면 이득이 감소하지만 선형성과 안정성이 증가한다.

공통 이미터 증폭기는 증폭기에 반전된 출력을 제공하며, 트랜지스터마다 크게 달라질 수 있는 매우 높은 이득을 가질 수 있다. 이득은 온도와 바이어스 전류 모두에 강하게 의존하므로 실제 이득은 다소 예측 불가능하다. BIBO 안정성은 존재할 수 있는 의도하지 않은 양성 되먹임으로 인해 이러한 고이득 회로와 관련된 또 다른 문제이다.

회로와 관련된 다른 문제점은 소신호 모델 한계로 인해 부과되는 낮은 입력 동적 범위이다. 이 한계를 초과하면 디스토션이 높고 트랜지스터가 소신호 모델처럼 작동하지 않게 된다. 이러한 문제를 완화하는 일반적인 방법 중 하나는 이미터 감쇠이다. 이는 이미터와 공통 신호원 (예: 접지 기준 또는 전원 공급 레일) 사이에 작은 저항기를 추가하는 것을 말한다. 이 임피던스 ${\displaystyle R_{\text{E}}}$는 회로의 전체 트랜스컨덕턴스 ${\displaystyle G_{m}=g_{m}}$를 ${\displaystyle g_{m}R_{\text{E}}+1}$ 요인만큼 감소시켜 전압 이득을

${\displaystyle A_{\text{v}}\triangleq {\frac {v_{\text{out}}}{v_{\text{in}}}}={\frac {-g_{m}R_{\text{C}}}{g_{m}R_{\text{E}}+1}}\approx -{\frac {R_{\text{C}}}{R_{\text{E}}}},}$

로 만든다. 여기서 ${\displaystyle g_{m}R_{\text{E}}\gg 1}$이다.

전압 이득은 트랜지스터의 고유하고 예측 불가능한 특성보다는 거의 전적으로 저항 ${\displaystyle R_{\text{C}}/R_{\text{E}}}$의 비율에 따라 달라진다. 따라서 이득 감소의 대가로 회로의 디스토션 및 안정성 특성이 향상된다.

(이것은 이득을 줄이고, 입력 임피던스를 높이며, 디스토션을 줄이기 때문에 종종 "음성 되먹임"으로 설명되지만, 음성 되먹임 증폭기 발명보다 앞서며, 진정한 음성 되먹임 증폭기가 하는 것처럼 출력 임피던스를 줄이거나 대역폭을 증가시키지 않는다.^[2])

특성

낮은 주파수에서 단순화된 하이브리드-파이 모델을 사용하여 다음 소신호 특성을 도출할 수 있다.

	정의	표현
		이미터 감쇠 포함	이미터 감쇠 없음; 즉, RE = 0
전류 이득	${\displaystyle A_{\text{i}}\triangleq {\frac {i_{\text{out}}}{i_{\text{in}}}}\,}$	${\displaystyle \beta \,}$	${\displaystyle \beta }$
전압 이득	${\displaystyle A_{\text{v}}\triangleq {\frac {v_{\text{out}}}{v_{\text{in}}}}\,}$	${\displaystyle -{\frac {\beta R_{\text{C}}}{r_{\pi }+(\beta +1)R_{\text{E}}}}\,}$	${\displaystyle -g_{m}R_{\text{C}}}$
입력 임피던스	${\displaystyle r_{\text{in}}\triangleq {\frac {v_{\text{in}}}{i_{\text{in}}}}\,}$	${\displaystyle r_{\pi }+(\beta +1)R_{\text{E}}\,}$	${\displaystyle r_{\pi }}$
출력 임피던스	${\displaystyle r_{\text{out}}\triangleq {\frac {v_{\text{out}}}{i_{\text{out}}}}\,}$	${\displaystyle R_{\text{C}}\,}$	${\displaystyle R_{\text{C}}}$

이미터 감쇠 저항이 없으면 ${\displaystyle R_{\text{E}}=0\,\Omega }$이고, 표현식은 오른쪽 열에 주어진 것으로 효과적으로 단순화된다 (전압 이득은 이상적인 값이며 실제 이득은 다소 예측 불가능하다는 점에 유의한다). 예상대로 ${\displaystyle R_{\text{E}}\,}$가 증가하면 입력 임피던스가 증가하고 전압 이득 ${\displaystyle A_{\text{v}}\,}$가 감소한다.

대역폭

공통 이미터 증폭기의 대역폭은 밀러 효과로 인한 높은 커패시턴스 때문에 낮은 경향이 있다. 기생 용량인 베이스-컬렉터 커패시턴스 ${\displaystyle C_{\text{CB}}\,}$는 베이스에서 접지까지 더 큰 기생 커패시터 ${\displaystyle C_{\text{CB}}(1-A_{\text{v}})\,}$ (여기서 ${\displaystyle A_{\text{v}}\,}$는 음수이다)처럼 보인다.^[3] 이 큰 커패시터는 기생 입력 RC 필터의 시간 상수를 ${\displaystyle r_{\text{s}}(1-A_{\text{V}})C_{\text{CB}}\,}$로 만들어 증폭기의 대역폭을 크게 감소시킨다. 여기서 ${\displaystyle r_{\text{s}}\,}$는 이상적인 베이스에 연결된 신호원의 출력 임피던스이다.

이 문제는 다음과 같은 여러 가지 방법으로 완화할 수 있다.

• 전압 이득 크기 ${\displaystyle \left|A_{\text{v}}\right|\,}$를 줄이는 것 (예: 이미터 감쇠를 사용하여).
• 베이스에 연결된 신호원의 출력 임피던스 ${\displaystyle r_{\text{s}}\,}$를 줄이는 것 (예: 이미터 팔로워 또는 다른 전압 팔로워를 사용하여).
• 캐스코드 구성을 사용하는 것. 이는 트랜지스터의 컬렉터와 부하 사이에 낮은 입력 임피던스 전류 버퍼 (예: 공통 베이스 증폭기)를 삽입한다. 이 구성은 트랜지스터의 컬렉터 전압을 거의 일정하게 유지하여 베이스-컬렉터 이득을 0으로 만들고 (이상적으로) 밀러 효과를 제거한다.
• 접지 베이스 증폭기를 구동하는 이미터 팔로워와 같은 차동 증폭기 토폴로지를 사용하는 것. 이미터 팔로워가 진정으로 공통 컬렉터 증폭기인 한, 밀러 효과는 제거된다.

밀러 효과는 유사한 방식으로 공통 소스 증폭기의 성능에 부정적인 영향을 미친다 (그리고 유사한 해결책을 갖는다). AC 신호가 트랜지스터 증폭기에 인가되면 베이스 전압 VB가 AC 신호의 값으로 변동하게 된다. 인가된 신호의 양의 절반은 VB 값의 증가를 유발하고, 이는 베이스 전류 IB를 증가시켜 이미터 전류 IE 및 컬렉터 전류 IC의 해당 증가를 유발한다. 결과적으로 RL을 가로지르는 전압 강하가 증가하기 때문에 컬렉터-이미터 전압은 감소할 것이다. AC 신호의 음의 교대는 IB의 감소를 유발하고, 이 동작은 RL을 통해 IE의 해당 감소를 유발한다.

또한 트랜지스터의 이미터가 입력 회로와 출력 회로 모두에 공통으로 연결되어 있기 때문에 공통 이미터 증폭기라고도 불린다. 입력 신호는 접지와 트랜지스터의 베이스 회로에 걸쳐 인가된다. 출력 신호는 접지와 트랜지스터의 컬렉터에 걸쳐 나타난다. 이미터가 접지에 연결되어 있으므로 입력 및 출력 신호에 공통적이다.

공통 이미터 회로는 접합 트랜지스터 증폭기 중 가장 널리 사용되는 회로이다. 공통 베이스 연결과 비교하여 더 높은 입력 임피던스와 낮은 출력 임피던스를 갖는다. 단일 전원 공급 장치를 바이어싱에 쉽게 사용할 수 있다. 또한 공통 이미터 (CE) 작동 시 일반적으로 더 높은 전압 및 전력 이득이 얻어진다.

공통 이미터 회로의 전류 이득은 베이스 및 컬렉터 회로 전류에서 얻어진다. 베이스 전류의 매우 작은 변화가 컬렉터 전류에 큰 변화를 일으키기 때문에 공통 이미터 회로의 전류 이득 (β)은 항상 1보다 크며, 일반적인 값은 약 50이다.

응용 분야

저주파 전압 증폭기

공통 이미터 증폭기 사용의 일반적인 예는 그림 3에 나와 있다.

그림 3: 이미터 감쇠가 있는 단일 종단 npn 공통 이미터 증폭기. AC-결합 회로는 레벨 시프터 증폭기 역할을 한다. 여기서 베이스-이미터 전압 강하는 0.65 볼트로 가정한다.

입력 커패시터 C는 입력의 모든 DC 성분을 제거하고, 저항 R₁ 및 R₂는 트랜지스터가 입력의 전체 범위에 대해 활성 모드를 유지하도록 바이어스한다. 출력은 입력의 AC 성분을 R_C/R_E 비율로 증폭하고 네 개의 저항에 의해 결정되는 양만큼 시프트된 반전된 사본이다. R_C가 종종 크기 때문에 이 회로의 출력 임피던스는 지나치게 높을 수 있다. 이 문제를 완화하기 위해 R_C를 가능한 한 낮게 유지하고 증폭기 뒤에 이미터 팔로워와 같은 전압 버퍼 증폭기를 연결한다.

라디오

공통 이미터 증폭기는 안테나에 의해 수신된 미약한 신호를 증폭하는 등 무선 주파수 회로에서도 사용된다. 이 경우 부하 저항을 동조 회로로 대체하는 것이 일반적이다. 이는 의도한 작동 주파수를 중심으로 하는 좁은 대역으로 대역폭을 제한하기 위해 수행될 수 있다. 더 중요하게는, 동조 회로를 사용하여 일반적으로 주파수 응답을 제한하는 모든 전극간 및 부유 커패시턴스를 공진시킬 수 있으므로 회로가 더 높은 주파수에서 작동할 수 있도록 한다. 공통 이미터는 또한 일반적으로 저잡음 증폭기로 사용된다.

오디오

공통 이미터 증폭기는 오디오 앰프에도 사용된다. 예를 들어, 공통 이미터 증폭기의 DIY 또는 취미용 응용 프로그램은 다음을 참조한다.^[4]

같이 보기

• 공통 베이스
• 공통 컬렉터
• 공통 게이트
• 공통 드레인
• 공통 소스
• 개방 컬렉터
• 사단자 회로망