LTSpice를 사용해 볼 생각이 있다면, 이 게시물을 먼저 확인해 보시기 바랍니다: LTSpice 입문.
이 게시물은 저자의 LTSpice를 주제로 한 연재글이며 LTSpice의 첫 사용자에게는 혼란을 줄 수도 있습니다.
양극성 트랜지스터의 이해가 어려워 지기 시작했다면, 시뮬레이션과 실험이 조금 더 쉽게 만들어 줄 수 있습니다. 이 게시물은 수업에서 본 NPN 트랜지스터에서 볼 수 있는 동일한 형태의 특성 곡선을 얻기 위한 회로를 구성하는 것에 관한 것입니다(PNP로도 할 수 있지만, 회로 구성은 다릅니다). 다음은 일반적으로 어떻게 시각화 되는지를 보여줍니다.
출력 전류(Ic)가 어떻게 증폭되는 지를 시각화하기 위해 일반적으로 10uA씩 증가시킵니다. 출력은 일반적으로 밀리암페어 단위로 측정됩니다.
이러한 특성은 일반적으로 (동일한 패턴을 따르지만)트랜지스터 다리의 이름에 기반한 여러 값에 따라 변합니다: 콜렉터, 에미터 그리고 베이스 측정값(전압 및/또는 전류). 또한 베타라고 불리는 전류 이득 또한 하나의 원인입니다. 다음을 통해 베타로부터 계산할 수 있는 알파라는 또 다른 요소도 있습니다:
반대로, 베타는 알파로부터 계산할 수 있습니다:
베타 값은 일반적으로 양극성 트랜지스터의 규격서에 기재되어 있습니다.
위의 값은 트랜지스터가 포함된 회로 설계에 중요합니다.
테스트 회로
동일한 모양의 그래프(특정 트랜지스터에 대한 매우 좋은 정보. 모델은 LTSpice에 있는 파라미터에 따라 변경)를 얻으려면, 다음과 같은 테스트 회로를 사용하길 권장합니다:
이전 게시글에서 사용하지 않았던 두 개의 부품이 있습니다: 전류원 I1과 트랜지스터 Q1
Component 라이브러리에서 "cur"로 검색해서 해당 소자를 회로에 배치하십시오. 화살표가 위쪽을 향하는 것이 우리가 원하는 전류의 방향이므로 부품을 꼭 회전시키십시오.
부품(Component) 라이브러리에서 "npn"으로 검색해서 회로에 표시된 대로 회전 및 배치하십시오. 회로 왼쪽에 있는 저항의 값(200k와 100k)은 입력 전류를 마이크로암페어 수준으로 줄이기 위한 것입니다. 입력 전류는 NPN 트랜지스터의 베이스 쪽에 연결되어 있습니다. 다음으로, (Q1이 아닌 아래 줄을)마우스 오른쪽 버튼 클릭으로 트랜지스터의 이름을 변경합니다.
트랜지스터의 이름은 독특하고 쉬운 것으로 정하십시오, 여기서는 "myNPN"을 사용하였습니다. 이 사용자 지정 이름은 트랜지스터가 프로그램 라이브러리 내의 모든 모델과 동일하게 동작하도록 하는 특정 SPICE 명령에서 사용될 것이며, 이는 빠르게 편집할 수 있습니다. 명령을 추가하기 전에, 트랜지스터를 마우스 오른쪽 버튼 클릭하여 “Pick New Transistor” 버튼을 누릅니다.
이렇게 하면 프로그램에 자동으로 설치되는 모든 모델의 목록이 표시됩니다 - 트랜지스터만해도 상당한 양입니다. 왼쪽에 있는 모든 부품 번호를 명령에서 사용할 수 있으며, 다음과 같은 목록을 볼 수 있습니다:
트랜지스터의 SPICE Model 란에 편집할 베타 값이 있는지 확인하시기 바랍니다(해당 란 어딘가 bf=# 또는 BF=#로 나와 있을 것입니다).
다음으로 회로도의 트랜지스터에 속성을 "복사"하기 위해 다음 명령을 사용하십시오, SPICE 명령 창을 열기 위해선 “S” 키를 누르십시오:
이를 통해 라이브러리에 있는 2N2222 트랜지스터의 모든 파라미터를 신속하게 편집할 수 있습니다(다른 버전을 테스트 하시려면 2N2222를 아무 다른 이름으로 변경하십시오). 하지만 여기서는, 양극성 트랜지스터에 있어 주요 핵심 요소인 베타 값에만 관심을 갖겠습니다. Bf=#에서 #는 모든 숫자가 될 수 있지만, 낮은 숫자의 영향이 작은 값을 요구합니다.
시뮬레이션
가상의 오실로스코프에서 똑같은 출력 특성을 얻기 위해서는, 특별한 시뮬레이션을 수행해야 합니다. DC sweep은 입력 전압 V1과 입력 전류원 I1의 두 입력원을 스윕하는 데 사용됩니다. DC 전압은 일반적으로 부드럽게 선형적으로 스윕하는 반면 전류원은 꽤나 큰 마이크로암페어 단위의 계단식으로 스윕합니다. 이를 위해, Run 버튼을 클릭하여 DC sweep 탭으로 이동한 후 1st Source를 아래와 같이 수정합니다:
V1은 선형 보간법(linear interpolation)을 사용하여 0V에서 시작해 16V까지(선호하는 어느 숫자 든 될 수 있습니다) 0.1V씩 증가시켜서 스윕할 입력원 입니다. 이렇게 하면 입력 전압을 부드럽게 선형적으로 증가시킬 것입니다. 그런 다음 2nd Source 탭을 클릭하여 전류원 I1의 값을 편집합니다:
두 번째 입력원도 선형 보간법을 사용하되 꽤 큰 단계별로 점차적으로 변경합니다. 0A에서 시작해 대략 200uA에서 끝납니다(트랜지스터의 선택과 베타 값에 따라 크거나 작을 수 있으며, 이런 이유로 이 방법에는 실험이 가장 효과적입니다). 10uA 단위의 증분 값 또는 200uA 이하의 아무 값을 사용하십시오. 단위가 작을수록 시뮬레이션에 시간은 더 걸리지만 보다 정확해 집니다. 단위가 클수록 시간은 덜 걸리지만 데이터를 정확하게 반영하지는 못할 것입니다. OK를 클릭하고 실험을 위해 측정할 위치 몇 군데를 고려해야 합니다. 특히 앞서 언급한 바와 같이 똑같은 그래프를 얻기 위해서는, 1k옴 라인이 트랜지스터로 연결되는 콜렉터 다리의 전류를 측정하십시오. 다음은 기본 설정으로 베타 값이 50인 2N2222 트랜지스터에서 얻을 수 있는 출력입니다:
이 그래프가 설명하는 것은 무엇일까요? 예를 들어, 낮은 입력 전압에서는 트랜지스터가 충분히 포화되지 않아 200uA의 입력으로부터 9mA의 증폭된 신호를 얻기 위해서는 약 10V의 입력이 필요합니다(베타 값이 여기에 영향을 미칩니다). 대부분의 애플리케이션에서 증폭은 일관성이 있어야 하므로, 입력 전압 변화에 비하여 출력이 크게 변하지 않는 것이 좋습니다. (상단 주황색 라인의 경우)10V 이후, 전류가 점진적으로 증가하긴 하지만 크게 증가하지는 않습니다. 0mA에서 9mA 사이는 가파르게 변화하는 반면 변화가 거의 없기 시작하는 약 10V에서 마지막 16V까지의 측정값 차이는 단지 544.51uA에 불과합니다. 이는 특정 설계에 있어서는 꽤 유용한 정보입니다. 마지막으로 언급하고 싶은 정보는 다음과 같은 트랜지스터에 중요한 세 가지 방정식이 더 있기 때문에 베타 및/또는 알파도 시각적으로 표현할 수 있다는 것입니다:
베타는 아래로 계산할 수 있습니다:
알파는 아래로 계산할 수 있습니다:
LTSpice에서 이 작업을 수행하려면 오실로스코프 영역에서 마우스 오른쪽 버튼 클릭 후 Add Traces를 선택합니다.
베타를 출력하기 위해 Expression(s) to add: 란에 Ic(Q1)/Ib(Q1)을 입력합니다(또는 Available data에서 두 값을 선택한 후 사이에 /를 추가합니다):
트랜지스터가 안정화된 후 50 근처에서 모두 어떻게 변하는지 확인해 보십시오. 이는 베타가 상수를 유지하기 때문에 예상되는 결과이며, 따라서 입력 전류 변화 대 입력 전압 변화를 나타내는 적절한 그래프입니다. 알파를 출력하기 위해, 동일한 절차를 수행하되 Ic(Q1)/-Ie(Q1)를 사용합니다[Ie는 Ic와 반대 방향이므로 마이너스 Ie는 양의 값을 출력하기 위함 입니다]:
알파는 베타에서 계산되기 때문에 예상되는 결과이며 0.99 근처 값이어야 합니다.
영문 원본: How to Test Transistor Characteristics in LTSpice