전자회로실험 과탑 A+ 예비 보고서 (실험 17 능동 부하가 있는 공통 소오스 증폭기)

문서 내 토픽

1. 능동 부하가 있는 공통 소오스 증폭기

이 실험에서는 능동 부하가 있는 공통 소오스 증폭기 회로를 구성하고, 전압 이득을 구하는 것이 목적이다. 능동 부하는 아날로그 증폭기에서 널리 사용되며, 간단한 공통 소오스 증폭기에 적용함으로써 특성을 정확하게 파악할 수 있다. 능동 부하가 있는 공통 소오스 증폭기는 일반 저항 대신 MOSFET을 부하로 사용하여 출력 임피던스를 크게 만들고, 높은 전압 이득을 제공한다. 이 회로는 고성능이 요구되는 증폭 회로에서 사용되며, 작은 입력 변화에도 큰 출력 증폭을 가능하게 하는 장점이 있다.
2. 공통 소오스 증폭기의 동작 원리

공통 소오스 증폭기의 동작 원리는 다음과 같다. 1) 입력 신호가 M_1의 게이트에 인가되면 소스가 접지된 상태에서 입력 전압 변화를 소스-드레인 전류 변화로 변환한다. 2) M_2와 M_3는 능동 부하로 작동하여 출력 저항을 높여준다. 이를 통해 출력 임피던스를 크게 만들 수 있다. 3) 공통 소오스 증폭기의 전압 이득은 소신호 모드에서 출력 저항과 정기 전류의 곱으로 나타난다. 4) 능동 부하는 일반 저항보다 높은 임피던스를 제공하므로, 전압 이득이 극대화된다. 5) M_5는 기준 전류 I_REF를 공급하여 회로의 안정된 동작점을 설정하는 역할을 한다.
3. 실험 절차 및 PSpice 시뮬레이션

실험 절차는 다음과 같다. 1) [실험 16]에서 결정한 V_pbias와 I_REF 값을 바탕으로 공통 소오스 증폭기의 입력-출력 DC 전압 레벨을 확인한다. 2) 입력 전압을 0V에서 6V까지 변화시키면서 출력을 측정하여 입력-출력 전압의 전달 특성 곡선을 그린다. 3) 10kHz의 0.01V_p-p 정현파를 입력으로 인가하고, 입력-출력 전압의 크기를 측정하여 전압 이득을 구한다. 4) 구현한 회로의 입력 저항과 출력 저항을 직접 측정한다. 5) 소신호 등가회로를 이용하여 입력 저항, 출력 저항, 전압 이득을 계산한다.
4. 소신호 등가회로 분석

소신호 등가회로를 이용하여 회로의 특성을 분석할 수 있다. 입력단에서 바라본 회로의 입력 저항 R_in, 출력단에서 바라본 회로의 출력 저항 R_out, 게이트-드레인 간 전압 이득, 전체 전압 이득을 계산할 수 있다. 이를 통해 회로의 특성을 보다 정확하게 파악할 수 있다.
5. 입력 저항 및 출력 저항 측정

입력 저항과 출력 저항을 직접 측정하는 방법은 다음과 같다. 입력 저항을 측정하기 위해 입력의 DC 전압을 변화시키면서 입력 쪽에 흘러 들어 가는 DC 전류를 측정한다. 출력 저항을 측정하기 위해 입력에 0V를 인가하고, 출력 쪽에 DC 전압을 변화시키면서 출력 쪽에 흘러 들어가는 DC 전류를 측정한다.
6. 10V/V 전압 이득 설계

10kHz의 0.01V_p-p 정현파를 입력 전압 V_sig으로 인가했을 때, 왜곡 없이 최소 0.1V_p-p 정현파를 얻는 A_v = 10V/V 공통 소오스 증폭기를 설계할 수 있다. 수식을 통한 계산과 더불어 PSpice 등의 모의실험 툴을 이용해서 검증할 수 있다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

1. 능동 부하가 있는 공통 소오스 증폭기

능동 부하가 있는 공통 소오스 증폭기는 전자 회로 설계에서 널리 사용되는 기본적인 증폭기 구조입니다. 이 회로는 간단한 구조와 높은 전압 이득을 가지고 있어 다양한 응용 분야에 활용될 수 있습니다. 능동 부하를 사용함으로써 수동 부하에 비해 더 높은 출력 임피던스와 전압 이득을 얻을 수 있습니다. 이를 통해 증폭기의 성능을 향상시킬 수 있습니다. 또한 능동 부하는 부하 변동에 대한 안정성이 높아 회로 설계에 유리합니다. 따라서 능동 부하가 있는 공통 소오스 증폭기는 아날로그 회로 설계 분야에서 매우 중요한 회로 구조라고 할 수 있습니다.
2. 공통 소오스 증폭기의 동작 원리

공통 소오스 증폭기의 동작 원리는 매우 중요합니다. 이 증폭기는 입력 신호를 받아 증폭하여 출력으로 내보내는 역할을 합니다. 입력 신호가 트랜지스터의 게이트 단자에 인가되면 드레인 전류가 변화하게 됩니다. 이때 능동 부하 회로가 드레인 전류의 변화를 감지하여 출력 전압을 변화시킵니다. 이러한 과정을 통해 입력 신호가 증폭되어 출력으로 나오게 됩니다. 공통 소오스 증폭기의 동작 원리를 이해하면 회로 설계 시 다양한 응용 분야에 활용할 수 있습니다. 예를 들어 증폭기의 전압 이득, 입력 임피던스, 출력 임피던스 등의 특성을 조절할 수 있습니다. 따라서 공통 소오스 증폭기의 동작 원리를 깊이 있게 이해하는 것이 중요합니다.
3. 실험 절차 및 PSpice 시뮬레이션

공통 소오스 증폭기의 실험 절차와 PSpice 시뮬레이션은 회로 동작을 이해하고 설계 능력을 향상시키는 데 매우 중요합니다. 실험 절차를 통해 실제 회로의 동작을 관찰하고 측정할 수 있습니다. 이를 통해 이론적인 동작 원리와 실제 동작 간의 차이를 확인할 수 있습니다. 또한 PSpice 시뮬레이션을 통해 회로의 동작을 사전에 예측하고 설계를 검증할 수 있습니다. 시뮬레이션 결과와 실험 결과를 비교하면 회로 동작에 대한 이해도를 높일 수 있습니다. 실험 절차와 PSpice 시뮬레이션을 병행하면 공통 소오스 증폭기의 설계 및 분석 능력을 체계적으로 향상시킬 수 있습니다. 이를 통해 실제 회로 설계에 활용할 수 있는 실용적인 지식을 얻을 수 있습니다.
4. 소신호 등가회로 분석

공통 소오스 증폭기의 소신호 등가회로 분석은 회로의 동작을 이해하고 설계하는 데 필수적입니다. 소신호 등가회로 분석을 통해 증폭기의 주요 특성인 전압 이득, 입력 임피던스, 출력 임피던스 등을 계산할 수 있습니다. 이를 통해 증폭기의 성능을 예측하고 설계 목표를 달성할 수 있습니다. 또한 소신호 등가회로 분석은 회로의 주파수 특성 분석에도 활용됩니다. 이를 통해 증폭기의 대역폭, 안정성 등을 확인할 수 있습니다. 소신호 등가회로 분석은 복잡한 회로에서도 적용할 수 있어 실용적인 회로 설계에 매우 유용합니다. 따라서 공통 소오스 증폭기의 소신호 등가회로 분석 능력을 갖추는 것은 아날로그 회로 설계 분야에서 매우 중요합니다.
5. 입력 저항 및 출력 저항 측정

공통 소오스 증폭기의 입력 저항과 출력 저항 측정은 회로의 특성을 이해하고 설계하는 데 매우 중요합니다. 입력 저항은 증폭기의 부하 특성을 결정하며, 출력 저항은 증폭기의 구동 능력을 나타냅니다. 이러한 저항 값들은 증폭기의 성능과 동작 특성에 큰 영향을 미치므로 정확하게 측정되어야 합니다. 실험을 통해 직접 측정하면 이론적인 계산 결과와 비교할 수 있어 회로 동작에 대한 이해를 높일 수 있습니다. 또한 PSpice 시뮬레이션을 통해 입력 저항과 출력 저항을 예측할 수 있습니다. 실험 결과와 시뮬레이션 결과를 비교하면 회로 설계 능력을 향상시킬 수 있습니다. 따라서 공통 소오스 증폭기의 입력 저항과 출력 저항 측정은 회로 분석과 설계에 필수적인 과정이라고 할 수 있습니다.
6. 10V/V 전압 이득 설계

공통 소오스 증폭기의 10V/V 전압 이득 설계는 아날로그 회로 설계에서 매우 중요한 과정입니다. 전압 이득은 증폭기의 핵심 성능 지표 중 하나로, 이를 정확하게 설계하는 것이 중요합니다. 10V/V의 전압 이득은 많은 응용 분야에서 요구되는 수준이며, 이를 달성하기 위해서는 회로 설계 시 여러 가지 요소를 고려해야 합니다. 예를 들어 트랜지스터의 특성, 바이어스 회로, 부하 저항 등을 적절히 선택해야 합니다. 또한 PSpice 시뮬레이션을 통해 설계를 검증하고 최적화할 수 있습니다. 실험을 통해 실제 회로의 전압 이득을 측정하고 이론 값과 비교하면 설계 능력을 향상시킬 수 있습니다. 이처럼 10V/V 전압 이득 설계는 공통 소오스 증폭기 설계의 핵심 과정이며, 이를 통해 회로 설계 역량을 크게 향상시킬 수 있습니다.