본문내용
1. JFET 바이어스 회로 조
1.1. 고정 바이어스 회로
고정 바이어스 회로는 게이트-소스 전압(Vgs)이 독립적인 직류 전원에 의해 결정되는 경우를 말한다. 즉, Vgs가 상수임을 나타내는 수직선이 Shockley 방정식으로 표현되는 전달 특성곡선과 만나게 된다.
고정 바이어스 회로에서는 Vgs가 독립된 직류 전원에 의해 결정된다. 따라서 Vgs가 상수임을 나타내는 수직선이 전달 특성곡선과 만나게 된다. 이렇게 만나는 지점이 JFET의 직류 동작점이 된다.
고정 바이어스 회로의 경우, Vgs가 일정하게 유지되기 때문에 드레인 전류 Id도 일정하게 유지된다. 즉, 부하 저항 RD에 걸리는 전압 VRD도 일정하게 유지되어 Id=VRD/RD 관계식에 의해 Id를 계산할 수 있다.
고정 바이어스 회로에서는 Vgs가 상수이기 때문에 JFET의 동작점이 전달 특성곡선과 바이어스 선의 교점에 고정된다. 따라서 온도 변화나 제조 오차 등의 영향을 받기 쉬우며, 소자 특성 변화에 민감한 단점이 있다.
1.2. 자기 바이어스 회로
자기 바이어스 회로는 JFET의 드레인 전류 ID가 게이트-소스 전압 VGS와 소스 저항 RS의 곱으로 결정되는 회로이다. 이러한 자기 바이어스 회로의 특징은 다음과 같다.
회로의 바이어스 선은 원점에서 시작해 전달 특성곡선과 직류 동작점에서 교차한다. 그래프 상의 교점에서 x축과 y축에 수선을 그리면 드레인 전류와 게이트-소스 전압을 결정할 수 있다. 이때, 소스 저항이 커질수록 바이어스 선은 수평에 가깝게 되고, 드레인 전류는 작아진다.
즉, 자기 바이어스 회로에서는 VGS의 크기가 드레인 전류 ID와 소스저항 RS의 곱으로 정의된다. 이를 통해 회로의 바이어스 선이 원점에서 시작해 전달 특성곡선과 직류 동작점에서 교차하게 된다. 그래프 상의 교점에서 드레인 전류와 게이트-소스 전압을 결정할 수 있으며, 소스 저항이 증가할수록 바이어스 선이 수평에 가까워지면서 드레인 전류가 감소하게 된다.
1.3. 전압 분배기 바이어스 회로
전압 분배기 바이어스 회로는 독립된 직류 전원 대신 저항을 사용하여 게이트-소스 전압 VGS를 결정하는 회로이다. 이 회로에서 VGS는 전압 분배기 바이어스 전압과 소스 저항의 전압 강하에 의해 결정된다.
먼저, 전압 분배기 바이어스 회로의 구성을 살펴보면 다음과 같다. 전원 VDD는 소스와 드레인 단자에 연결되어 있고, 소스와 게이트 단자 사이에는 두 개의 저항 R1과 R2가 직렬로 연결되어 있다. 이를 통해 게이트 단자에 인가되는 전압 VG가 결정된다. 그리고 소스 단자에는 소스 저항 RS가 연결되어 있어, 소스 단자와 접지 사이의 전압 강하에 의해 VGS가 결정된다.
구체적으로, VG는 R1과 R2의 전압 분배에 의해 VG = R2 * VDD / (R1 + R2)로 결정된다. 그리고 VGS는 VG에서 소스 저항 RS에 걸리는 전압 강하 IDRs를 뺀 값, 즉 VGS = VG - IDRs가 된다.
이와 같은 전압 분배기 바이어스 회로에서 JFET의 동작점은 전달 특성 곡선과 전압 분배기 바이어스 선의 교점으로 결정된다. 전압 분배기 바이어스 선은 IDSS와 VP를 이용하여 그릴 수 있으며, 이 직선과 전달 특성 곡선의 교점이 동작점 IDQ와 VGSQ가 된다.
이러한 전압 분배기 바이어스 회로의 장점은 독립된 전원 대신 저항을 사용하여 VGS를 결정할 수 있다는 것이다. 회로가 간단하고 안정적이며, 전원 전압 변동에 강한 특성을 가진다. 단점은 IDQ와 VGSQ가 회로 파라미터에 의해 결정되므로, 원하는 동작점을 얻기 위해서는 적절한 저항값 선택이 필요하다는 것이다.
종합적으로, 전압 분배기 바이어스 회로는 JFET의 안정적인 동작을 위한 대표적인 바이어스 회로 중 하나이며, 저렴한 구성과 간단한 설계로 인해 많이 활용되고 있다.
2. 직렬 및 병렬 다이오드 구조 실험
2.1. 실험 개요
실험의 목적은 직렬 또는 병렬 다이오드 구조의 회로를 해석하고, 다양한 다이오드 회로의 회로 전압을 계산하고 측정하는 것이다. 또한 P-SPICE를 이용하여 다이오드를 포함하는 회로의 바이어스 점(Bias Point) 해석을 수행하는 것이다.
이를 통해 확인하고자 하는 내용은 다음과 같다. 첫째, 다이오드 직렬 구조에서 출력 전압 변화를 확인한다. 둘째, 다이오드 병렬 구조에서 출력 전압 변화를 확인한다.
이를 위해 실험할 회로도와 P-SPICE 모의 실험 결과 및 분석을 수행할 예정이다. 예상되는 실험 절차는 다음과 같다.
첫째, 직렬 구조 회로인 그림 3-3과 그림 3-4 회로를 실험할 것이다. P-SPICE 모의 실험 결과를 분석하여 출력 전압 변화를 확인할 것이다.
둘째, 병렬 구조 회로인 그림 3-6, 3-7, 3-8 회로를 실험할 것이다. P-SPICE 모의 실험 결과를 분석하여 출력 전압 변화를 확인할 것이다.
마지막으로 논리 게이트로서의 다이오드 회로인 그림 3-9 회로를 실험할 것이다. P-SPICE 모의 실험 결과를 분석하여 출력 전압 변화를 확인할 것이다.
2.2. 이론
2.2.1. 순방향 바이어스 / 역방향 바이어스
순방향 바이어스에서는 다이오드 양단의 전압이 적어도 다이오드의 무릎전압(일반적으로 실리콘 다이오드는 약 0.7V, 게르마늄 다이오드는 약 0.3V) 이상이 되면 다이오드가 도통 상태가 된다. 이 때 P형 반도체에서 N형 반도체 쪽으로 다수 캐리어가 이동하면서 전류가 잘 흐르게 된다.
반대로 역방향 바이어스에서는 N형 반도체에 양극(+)을, P형 반도체에는 음극(-)을 연결하게 된다. 이러한 경우 P형 반도체의 정공은 음극 쪽으로, N형 반도체의 전자는 양극 쪽으로 몰리게 되면서 공핍층이 넓어진다. 공핍층이 더욱 넓어짐에 따라 전류가 거의 흐르지 않게 된다. 하지만 각 반도체에 아주 적은 수의 소수 캐리어가 존재하기...
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