2026-01-23 | 6 min read | 388 | 전류원 트랜지스터 바이어싱

7-1. 이상적인 전류원 및 트랜지스터 기반 전류원 구현

1. 이상적인 전류원의 개념

전기 회로 설계에서 전류원 (Current Source)은 매우 중요한 구성 요소입니다. 전류원은 이상적인 경우, 회로의 다른 부분에 연결된 부하의 전압 강하와 무관하게 일정한 전류를 공급하는 소자입니다. 이 개념은 마치 수도관에서 물이 나오는 것과 유사합니다. 물을 사용하는 배관의 압력(전압)이 변하더라도, 수도꼭지를 최대로 열어두면 일정한 양의 물(전류)이 계속 흘러나오는 것과 같은 원리입니다.

이상적인 전류원은 다음과 같은 특징을 가집니다.

무한대의 내부 저항: 이상적인 전류원은 내부 저항이 무한대이기 때문에, 부하와 병렬로 연결되어도 부하의 전압 변화에 영향을 받지 않고 설정된 전류를 정확하게 공급할 수 있습니다.
부하에 무관한 일정한 전류 공급: 부하의 종류나 크기에 관계없이, 정해진 전류 값을 유지합니다. 부하가 커져도, 작아져도, 심지어 단락(short circuit) 상태에서도 설정된 전류를 유지해야 합니다.
무한대의 전압 공급 능력: 부하에 일정한 전류를 공급하기 위해 필요한 전압은 무한대까지 제공할 수 있습니다.

이러한 이상적인 특성은 실제 회로에서는 완벽하게 구현될 수 없지만, 회로 설계를 위한 강력한 도구이며, 실제 전류원 회로의 성능을 평가하고 개선하는 데 중요한 기준이 됩니다.

2. 트랜지스터를 이용한 전류원 구현: BJT 기반 전류원

실제 회로에서 이상적인 전류원을 구현하는 것은 불가능하지만, 트랜지스터를 사용하여 이상적인 전류원에 가깝게 동작하는 회로를 설계할 수 있습니다. Bipolar Junction Transistor (BJT)는 대표적인 반도체 소자 중 하나이며, BJT를 이용한 전류원 회로는 비교적 간단하게 구현할 수 있고, 다양한 응용 분야에서 사용됩니다.

1) 기본 전류원 회로 (Current Source with BJT)

가장 기본적인 BJT 기반 전류원 회로는 다음과 같습니다.

기본 전류원 회로 다이어그램

Source: Elektor Magazine

위 회로에서, BJT는 전류원으로 동작하며, $R_E$를 통해 흐르는 전류를 설정합니다.

$V_{CC}$: 전원 전압
$R_B$: 베이스 저항
$R_E$: 이미터 저항
$Q_1$: BJT 트랜지스터
$I_C$: 컬렉터 전류 (부하 전류)
$V_B$: 베이스 전압
$V_E$: 이미터 전압
$V_{BE}$: 베이스-이미터 전압 (약 0.7V)

2) 회로 동작 원리

회로의 동작 원리는 다음과 같습니다.

바이어싱 (Biasing): $R_B$를 통해 $Q_1$의 베이스에 적절한 전압을 가하여 트랜지스터가 활성 영역(Active Region)에서 동작하도록 합니다.
이미터 전류 설정: 이미터 전류 $I_E$는 $R_E$와 $V_{BE}$에 의해 결정됩니다. $$V_E = V_B - V_{BE}$$ $$I_E = \frac{V_E}{R_E} = \frac{V_B - V_{BE}}{R_E}$$ $V_{BE}$는 트랜지스터의 특성에 따라 약 0.7V로 고정되므로, $R_E$를 조절하여 $I_E$를 설정할 수 있습니다.
컬렉터 전류 제어: 트랜지스터의 특성상 컬렉터 전류 $I_C$는 $I_E$와 거의 같습니다 ($I_C \approx I_E$). 따라서, $R_E$를 적절하게 선택하면, $I_C$를 원하는 값으로 설정할 수 있습니다.
부하 전류 공급: 컬렉터 전류 $I_C$는 부하에 흐르는 전류가 되며, 이 전류는 부하의 저항값에 거의 영향을 받지 않습니다.

3) 수식 및 계산

회로의 동작을 더 자세히 살펴보겠습니다.

$I_C \approx I_E$: BJT의 컬렉터 전류 $I_C$는 이미터 전류 $I_E$와 거의 같습니다. 이는 트랜지스터의 전류 이득 ($\beta$, 베타)가 매우 크기 때문입니다.
$I_C = \beta \cdot I_B$: 컬렉터 전류 $I_C$는 베이스 전류 $I_B$의 $\beta$배입니다.
$I_E = I_B + I_C$: 이미터 전류는 베이스 전류와 컬렉터 전류의 합입니다.
$V_{BE} \approx 0.7V$: 베이스-이미터 전압은 실리콘 트랜지스터의 경우 약 0.7V입니다.

따라서, $I_C$를 설정하기 위해서는 다음과 같은 단계를 따릅니다.

$I_E$를 결정합니다. 원하는 컬렉터 전류 $I_C$에 가깝게 설정합니다. $$I_E \approx I_C$$
$R_E$를 계산합니다. $I_E$와 $V_E$를 이용하여 $R_E$를 계산합니다. $$V_E = I_E \cdot R_E$$ $$R_E = \frac{V_E}{I_E} = \frac{V_B - V_{BE}}{I_E}$$
$R_B$를 계산합니다. $R_B$를 통해 적절한 베이스 전압을 공급하여 트랜지스터가 활성 영역에 있도록 합니다. $$V_B = V_{CC} \cdot \frac{R_2}{R_1 + R_2}$$ (이 경우, 전압 분배 회로를 사용)

4) 회로의 단점 및 개선

위 회로는 간단하지만, 몇 가지 단점이 있습니다.

온도 변화에 민감: $V_{BE}$는 온도에 따라 변동하므로, 컬렉터 전류도 온도 변화에 영향을 받습니다.
$\beta$의 변화에 민감: 트랜지스터의 $\beta$ 값은 트랜지스터마다 다르고, 온도 및 동작 조건에 따라 변동합니다.

이러한 단점을 보완하기 위해, 다양한 개선된 전류원 회로가 존재합니다.

3. 트랜지스터를 이용한 전류원 구현: MOSFET 기반 전류원

Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor (MOSFET) 또한 전류원 회로를 구현하는 데 널리 사용됩니다. MOSFET은 BJT에 비해 온도 변화에 덜 민감하고, 입력 임피던스가 높다는 장점이 있습니다.

1) 기본 전류원 회로 (Current Source with MOSFET)

가장 기본적인 MOSFET 기반 전류원 회로는 다음과 같습니다.

기본 MOSFET 전류원 회로 다이어그램

Source: All About Circuits

$V_{DD}$: 드레인 전압
$R_G$: 게이트 저항
$R_S$: 소스 저항
$M_1$: MOSFET 트랜지스터
$I_D$: 드레인 전류 (부하 전류)
$V_G$: 게이트 전압
$V_S$: 소스 전압
$V_{GS}$: 게이트-소스 전압
$V_{TH}$: 문턱 전압 (Threshold Voltage)

2) 회로 동작 원리

MOSFET 기반 전류원의 동작 원리는 다음과 같습니다.

바이어싱: $R_G$를 통해 $M_1$의 게이트에 적절한 전압을 가하여 MOSFET이 포화 영역(Saturation Region)에서 동작하도록 합니다.
소스 전압 설정: 소스 전압 $V_S$는 $R_S$에 흐르는 전류에 의해 결정됩니다.
드레인 전류 제어: MOSFET이 포화 영역에서 동작할 때, 드레인 전류 $I_D$는 $V_{GS}$와 MOSFET의 특성(예: 채널 길이 변조)에 의해 결정됩니다.

$$I_D = \frac{1}{2} \mu_n C_{ox} \frac{W}{L} (V_{GS} - V_{TH})^2$$

여기서 $\mu_n$은 전자의 이동도, $C_{ox}$는 산화막 커패시턴스, $W/L$은 MOSFET의 채널 폭/길이 비율입니다.
부하 전류 공급: 드레인 전류 $I_D$는 부하에 흐르는 전류가 됩니다. MOSFET은 포화 영역에서 동작하면, 드레인 전류가 드레인-소스 전압 변화에 거의 영향을 받지 않습니다.

3) 수식 및 계산

MOSFET 기반 전류원의 설계를 위해 필요한 수식은 다음과 같습니다.

$I_D$ 결정: 원하는 드레인 전류 $I_D$를 결정합니다.
$V_{GS}$ 계산: $I_D$와 MOSFET의 특성을 이용하여 $V_{GS}$를 계산합니다. $$I_D = \frac{1}{2} \mu_n C_{ox} \frac{W}{L} (V_{GS} - V_{TH})^2$$ $$V_{GS} = V_{TH} + \sqrt{\frac{2I_D}{\mu_n C_{ox} \frac{W}{L}}}$$
$V_S$ 계산: $V_S$는 $I_D$와 $R_S$에 의해 결정됩니다. $$V_S = I_D \cdot R_S$$
$R_S$ 계산: $V_S = I_D \cdot R_S$를 이용하여, $R_S$를 계산합니다. $$R_S = \frac{V_S}{I_D}$$
$V_G$ 설정: $V_G$를 적절하게 설정하여 MOSFET이 포화 영역에서 동작하도록 합니다.

4) 회로의 장점

MOSFET 기반 전류원 회로는 다음과 같은 장점을 가집니다.

높은 입력 임피던스: 게이트에 흐르는 전류가 거의 없어, 회로의 입력 임피던스가 매우 높습니다.
온도 변화에 덜 민감: BJT에 비해 온도 변화에 덜 민감합니다.
간단한 설계: BJT 기반 전류원에 비해 상대적으로 간단한 설계가 가능합니다.

4. 능동 부하 (Active Load)를 이용한 전류원

단순한 전류원 회로는 온도 변화나 트랜지스터 특성 변화에 취약할 수 있습니다. 이를 개선하기 위해, 능동 부하를 사용하는 전류원 회로가 널리 사용됩니다. 능동 부하는 트랜지스터를 사용하여 부하 저항 대신 사용하며, 회로의 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다. 특히, 전류 미러(Current Mirror)는 능동 부하를 사용하는 대표적인 회로 중 하나입니다. (자세한 내용은 다음 포스트에서 다룹니다.)

5. 설계 시 고려 사항

전류원 회로를 설계할 때, 다음과 같은 사항을 고려해야 합니다.

원하는 전류 값: 회로가 공급해야 하는 정확한 전류 값을 결정합니다.
부하의 전압 범위: 전류원이 안정적으로 동작할 수 있는 부하 전압 범위를 고려합니다.
온도 안정성: 온도 변화에 따른 전류 값의 변동을 최소화해야 합니다.
부품 선택: 트랜지스터, 저항 등 부품의 정확성과 안정성을 고려하여 선택합니다.
전원 전압: 회로의 전원 전압을 고려하여, 트랜지스터의 바이어싱 조건을 설정합니다.
시뮬레이션: 회로를 설계한 후, 시뮬레이션을 통해 성능을 검증하고, 문제점을 파악합니다.

6. 결론

이상적인 전류원의 개념과, 트랜지스터를 이용한 실제 전류원 회로 구현 방법을 살펴보았습니다. BJT와 MOSFET을 사용하여 전류원 회로를 구현하는 방법을 이해하고, 각 회로의 장단점을 비교 분석했습니다. 실제 회로 설계에서는 이러한 기본 개념을 바탕으로, 요구 사항에 맞는 전류원 회로를 설계하고, 능동 부하 등의 기법을 통해 회로의 성능을 개선해야 합니다. 다음 포스트에서는 능동 부하의 대표적인 예시인 전류 미러 (Current Mirror) 회로에 대해 자세히 알아보겠습니다.