본문내용
1. 공통소스 트랜지스터 증폭기
1.1. 실험 목적
공통소스 트랜지스터 증폭기의 실험 목적은 공통 소스 증폭기의 직류와 교류 전압을 측정하고, 전압 이득, 입력 임피던스, 출력 임피던스를 측정하는 것이다.
공통 소스 트랜지스터 증폭기는 매우 높은 입력 임피던스와 출력 임피던스를 가지며 큰 전압 이득을 나타낼 수 있다. 이 증폭기는 전류 이득과 전압 이득 모두를 얻을 수 있으며 BJT의 공통 이미터 증폭기와 유사하다. BJT에 비해 상당히 큰 전류 이득을 가질 수 있다.
실험을 위해 오실로스코프, DMM, 함수발생기, 직류전원, 저항, 커패시터, 2N3823 트랜지스터 등이 준비되었다. 실험 순서는 직류 전압과 전류 측정, 직류 바이어스 분석, 교류 전압 이득 측정, 입출력 임피던스 측정으로 진행되며, 컴퓨터 실습을 통해 바이어스 동작점 분석, 트랜스컨덕턴스와 전압 이득 계산, 시간영역 해석 및 출력 임피던스 계산을 수행한다.
실험 결과 및 고찰에서는 계산값과 측정값의 오차, 입력 임피던스와 출력 임피던스의 특성, 실험 과정에서의 어려움 등을 분석한다. 전반적으로 실험 결과가 이론과 부합하며 공통 소스 증폭기의 특성을 잘 보여준다고 할 수 있다.
1.2. 실험 이론
1.2.1. 공통 소스 증폭기 DC 해석
공통 소스 트랜지스터 증폭기는 매우 높은 입력 임피던스와 출력 임피던스를 갖고 큰 전압 이득을 나타낼 수 있는 증폭기이다. 이 증폭기는 전류 이득과 전압 이득 모두를 얻을 수 있으며 BJT의 공통 이미터 증폭기와 유사하다. BJT에 비해 상당히 큰 전류 이득을 가질 수 있다.
공통 소스 증폭기의 DC 해석을 살펴보면, 입력 전압 V₃₃의 변화에 따라 드레인 전류 ID가 변하게 된다. 이때 드레인 전압 VD는 전원 전압 VDD와 드레인 전류 ID를 통해 흐르는 부하 저항 RD의 전압강하의 차이로 결정된다. 즉, VD = VDD - ID·RD가 된다. 따라서 입력 전압 변화에 따라 출력 전압 VD도 변화하게 되어 전압 증폭이 가능하다.
이러한 공통 소스 증폭기의 DC 해석에서는 MOSFET의 입력-출력 특성인 드레인 전류 ID와 게이트-소스 전압 VGS의 관계를 이용한다. 포화 영역에서 ID = (1/2)μᵢₙCₒₓ(W/L)(VGS-Vth)²이며, 선형 영역에서 ID = (1/2)μᵢₙCₒₓ(W/L)[2(VGS-Vth)VDS-VDS²]가 성립한다.
이를 통해 공통 소스 증폭기의 동작점 전압 및 전류를 분석할 수 있다. 예를 들어 입력 전압 VGG와 게이트 저항 RG를 이용하여 게이트-소스 전압 VGS를 결정할 수 있고, 이를 통해 드레인 전류 ID를 계산할 수 있다. 또한 부하 저항 RD를 이용하여 출력 전압 VD를 구할 수 있다.
이처럼 공통 소스 증폭기의 DC 해석은 MOSFET의 입출력 특성과 전압 분배 원리를 활용하여 증폭기의 동작점 및 전압, 전류 등을 분석할 수 있다.
1.2.2. 공통 소스 증폭기 AC해석
공통 소스 트랜지스터 증폭기는 매우 높은 입력 임피던스와 출력 임피던스를 갖고 큰 전압이득을 나타낼 수 있는 방식이다. 이 증폭기는 전류이득과 전압이득 모두를 얻을 수 있으며 BJT의 공통 이미터 증폭기와 유사하다. BJT에 비해 상당히 큰 전류 이득을 가질 수 있다.
공통 소스 증폭기의 AC 해석에서는 입력 신호에 의한 드레인 전류 변화가 출력 전압 변화로 나타나는 과정을 살펴본다. 입력 신호가 게이트에 인가되면 게이트-소스 전압이 변화하고 이에 따라 드레인 전류가 변화한다. 이 드레인 전류 변화가 부하 저항 RD를 통해 출력 전압 변화로 나타난다.
이때 드레인 전류 변화와 출력 전압 변화 사이의 비례 관계를 트랜스컨덕턴스(gm)라 하며, 공통 소스 증폭기의 AC 특성을 결정하는 중요한 파라미터이다. 트랜스컨덕턴스는 MOSFET의 기하학적 구조와 동작 전압에 따라 달라진다.
또한 출력 임피던스는 등가 저항 rO로 표현되며, 이는 공통 소스 증폭기의 출력 특성을 결정한다. 출력 임피던스는 드레인-소스 전압에 따라 달라지며, 일반적으로 부하 저항 RD에 비해 크기 때문에 무시할 수 있다.
따라서 공통 소스 증폭기의 AC 해석을 통해 트랜스컨덕턴스와 출력 임피던스를 구할 수 있고, 이를 바탕으로 증폭기의 전압 이득, 입력 임피던스, 출력 임피던스 등의 AC 특성을 분석할 수 있다. 이러한 AC 해석은 공통 소스 증폭기의 동작 원리와 응용 측면에서 중요한 의미를 갖는다.
1.3. 실험 준비물
오실로스코프, DMM, 함수발생기, 직류전원, 저항(510Ω, 1㏀, 2.4㏀, 10㏀, 1MΩ), 케페시터(15㎌, 100㎌), 2N3823 트렌지스터이다. 이 실험에 필요한 다양한 전자 기자재와 부품들이 준비되어 있다. 오실로스코프와 DMM을 통해 전압과 전류를 측정할 수 있고, 함수발생기와 직류전원으로 신호와 전원을 공급할 수 있다. 2N3823 트랜지스터와 다양한 저항 및 커패시터들은 공통 소스 증폭기 회로를 구성하는 데 사용된다. 이러한 실험 준비물들은 공통 소스 증폭기의 특성을 분석하고 측정하는 데 필수적이다.
1.4. 실험 순서 및 측정
1.4.1. 직류 전압과 전류 측정
의 값을 측정하고 기록하였다. 이를 통해 드레인 전류 의 값을 13.2V와 13.3mA로 계산할 수 있었다. 이후 1kΩ 저항 를 연결하고 과 를 측정한 결과 각각 -1.86V와 18.7V로 나타났다. 이로부터 의 계산값은 2.5mA이며, 이는 측정값인 2.5mA와 일치한다. 따라서 설정한 직류 전압과 전류 값들이 정확하게 측정되었음을 확인할 수 있었다. 이를 통해 공통 소스 트랜지스터 증폭기의 직류 특성을 정확히 분석할 수 있게 되었다. 이러한 초기 직류 측정 결과는 후속 교류 분석과 컴퓨터 실습 등 다른 실험 항목들의 기반이 되므로, 직류 전압과 전류 측정이 실험의 중요한 첫 단계라고 할 수 있다. []
1.4.2. 직류 바이어스 분석
DC 전압 을 20V, 저항 은 1MΩ, 저항 은 510Ω, 저항 은 0Ω로 설정하고 회로를 구성하면, 전압계로 측정한 결과 는 13.2V이다. 이때 계산에 의한 값은 13.3V로, 실측값과 근사한 결과를 보인다. 또한 계산에 의해 구한 드레인 전류 는 13.3mA이며, 측정값 역시 13.3mA로 동일하다.
DC 전압 을 1㏀로 연결하고 측정한 결과, 는 -1.86V, 는 18.7V이다. 계산에 의하면 는 -3.3V, 는 12.08V로 나타나, 실측값과 다소 차이가 있음을 알 수 있다. 이는 계산 시 이상적인 상황을 가정하였기 때문이다. 그러나 전체적인 경향성은 잘 일치하고 있다.
공통 소스 증폭기의 직류 바이어스 상태를 분석하기 위해 전압 분배 방식의 바이어싱 회로를 구성하였다. 계산에 의하면 는 -1.66V, 는 3.3mA로 나타났고, 실측값 역시 각각 -1.66V, 3.3mA로 측정되어 이론과 잘 일치하는 결과를 얻을 수 있었다. 또한 출력 전압 은 계산상 12.08V, 실측값은 12.2V로 근사한 값을 보였다.
종합적으로 직류 바이어스 분석 결과, 실험을 통해 얻은 측정값과 이론적 계산값이 대체로 잘 일치하고 있음을 확인할 수 있다. 다만 일부 항목에서 약간의 오차가 발생하였는데, 이는 이상적인 상황을 가정하여 계산한 것과 달리 실제 실험에서는 여러 가지 요인에 의해 영향을 받기 때문인 것으로 판단된다.
1.4.3. 교류 전압 이득 측정
공통 소스 증폭기의 교류 전압 이득을 측정하는 과정은 다음과 같다. 먼저 그림 20.2에 주어진 공통 소스 증폭기의 전압 이득을 계산한다. 공통 소스 증폭기의 전압 이득...
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