본문내용
1. 실험 개요
1.1. 실험 목적
'1.1. 실험 목적'은 달링턴 및 캐스코드 증폭기 회로의 직류와 교류 전압을 계산하고 측정하는 것이다. 이 실험을 통해 달링턴 BJT의 전류이득과 캐스코드 증폭기의 동작 원리를 이해하고, 실험을 통해 특성을 확인할 수 있다.달링턴 BJT는 하나의 BJT의 입력저항보다 더 큰 입력저항을 가지고 전류이득이 크기 때문에 많이 사용된다. 달링턴 회로의 전체 전류이득은 두 BJT의 개별 전류이득의 곱으로 나타낼 수 있다.
캐스코드 증폭기는 공통 소스 증폭기보다 높은 전압 이득을 얻을 수 있어서 널리 사용되고 있다. 캐스코드 증폭기는 공통 소스 증폭기와 공통 게이트 증폭기로 구성되어, 전압 이득을 크게 높일 수 있다. 또한 출력 저항이 높아지는 특성 때문에 낮은 출력 임피던스를 얻을 수 있다.
이 실험에서는 캐스코드 증폭기의 입력-출력 특성 곡선을 구하고, 소신호 등가 회로를 이용하여 전압 이득을 계산한 뒤 실험을 통해 확인하고자 한다. 또한 증폭기의 DC 동작점을 잡아주기 위한 바이어스 회로에 대해서도 공부하고 실험을 통해 동작을 확인할 계획이다.
1.2. 캐스코드 증폭기의 개요
캐스코드 증폭기의 개요는 다음과 같다.
캐스코드 증폭기는 공통 소스 증폭기와 공통 게이트 증폭기를 직렬로 연결한 구조의 증폭기이다. 입력 신호는 공통 소스 증폭기 단에 가해지고, 공통 게이트 증폭기 단이 출력을 담당한다. 이러한 구조를 통해 캐스코드 증폭기는 공통 소스 증폭기에 비해 더 높은 전압 이득을 얻을 수 있다.
캐스코드 증폭기의 핵심원리는 다음과 같다. 공통 소스 증폭기 단의 출력 저항이 크고, 공통 게이트 증폭기 단이 이를 더욱 증가시키는 것이다. 입력 신호에 비례하는 전류가 공통 소스 증폭기 단을 통과하면서 입력 전압이 큰 출력 전압으로 증폭되고, 공통 게이트 증폭기 단에서 이 큰 출력 전압이 다시 증폭되어 최종 출력이 얻어진다.
이러한 캐스코드 증폭기의 구조는 전압 이득 뿐만 아니라 입력 임피던스, 출력 임피던스, 대역폭 등의 성능을 개선하는데 효과적이다. 따라서 고이득, 고속, 광대역 증폭기 회로에서 널리 활용되고 있다.
1.3. 실험 장비 및 부품
실험 장비 및 부품은 다음과 같다.
오실로스코프, DMM, 함수발생기, 직류전원, 저항(100Ω, 51Ω, 1㏀, 1.8㏀, 4.7㏀, 5.6㏀, 6.8㏀ 50㏀, 100㏀), 커패시터(0.001㎌, 10㎌), 2N3904 트랜지스터가 사용된다.
오실로스코프는 실험회로의 입출력 전압파형을 관찰하고 측정하는데 사용된다. DMM(디지털 멀티미터)은 실험회로의 직류 전압과 전류를 측정하는데 사용된다. 함수발생기는 실험회로에 정현파 입력신호를 인가하는데 사용된다. 직류전원은 실험회로의 전원 공급에 사용된다. 저항과 커패시터는 실험회로의 구성 요소로 사용된다. 2N3904 트랜지스터는 캐스코드 증폭기 회로를 구현하는데 사용된다.
이러한 실험 장비와 부품들은 캐스코드 증폭기 회로의 동작을 분석하고 특성을 측정하는데 활용된다.
2. 캐스코드 증폭기의 동작 원리
2.1. 달링턴 BJT 회로
달링턴 BJT 회로는 두 개의 BJT(Bipolar Junction Transistor)를 직렬로 연결한 증폭기 회로이다. 이 회로는 단일 BJT에 비해 전류 증폭률(current gain)이 크고 입력 저항이 더 높은 특성을 가진다.
달링턴 BJT 회로의 동작 원리는 다음과 같다. 첫 번째 BJT의 베이스와 두 번째 BJT의 베이스가 서로 연결되어 있어 두 BJT가 직렬로 연결된다. 첫 번째 BJT의 콜렉터 전류는 두 번째 BJT의 베이스 전류가 되며, 이 전류는 두 번째 BJT의 콜렉터 전류가 된다. 따라서 두 BJT의 전류 증폭률이 각각 β1, β2일 때 달링턴 회로의 전체 전류 증폭률은 βD = β1 × β2가 된다.
이와 같이 달링턴 BJT 회로는 단일 BJT에 비해 더 큰 전류 증폭률과 입력 저항을 가지므로, 고이득 증폭기나 전류 증폭기에 효과적으로 사용될 수 있다. 또한 두 개의 BJT를 사용하므로 단일 BJT보다 내구성과 안정성이 높은 장점이 있다.
2.2. 캐스코드 증폭기의 동작 분석
캐스코드 증폭기는 공통 소스 증폭기에 공통 게이트 증폭기를 직렬로 연결한 구조이다. 이러한 구조를 통해 높은 전압 이득과 향상된 출력 임피던스를 얻을 수 있다.
캐스코드 증폭기의 동작 원리는 다음과 같다. 입력 신호는 M1 트랜지스터를 통해 전류로 변환된다. 이 전류는 M2 트랜지스터로 전달되는데, M2 트랜지스터는 공통 게이트 증폭기로 동작하여 전류를 그대로 증폭하여 출력한다. M1 트랜지스터의 드레인 전압이 M2 트랜지스터의 소스 전압이 되므로, M2 트랜지스터의 VGS가 일정하게 유지되어 증폭도가 일정해진다.
M1 트랜지스터의 출력 저항은 r_o1이고, M2 트랜지스터의 출력 저...
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