전자회로실험 과탑 A+ 예비 보고서 (실험 21 차동 증폭기 심화 실험)

본 내용은 " 전자회로실험 과탑 A+ 예비 보고서 (실험 21 차동 증폭기 심화 실험) " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2024.12.19

문서 내 토픽

• 1. 차동 증폭기

  이 실험에서는 능동 부하를 사용한 차동 증폭기(differential amplifier)를 구성하여, 전압 이득과 CMRR을 측정하고자 한다. 주요 동작 원리는 입력 트랜지스터(M1, M2)가 차동 입력 신호를 증폭하고, 전류 거울(M3, M4)이 정전류원을 구성하며, 부하 트랜지스터(M5, M6)가 능동 부하로 작동하여 높은 출력 저항과 전압 이득을 제공한다. 이 회로는 높은 선형성과 잡음 억제 특성으로 고성능 아날로그 설계에서 필수적인 역할을 한다.

• 2. 공통 모드 제거비(CMRR)

  차동 증폭기의 공통 모드 제거비(CMRR)가 높아 입력 신호의 공통 성분(잡음 등)을 효과적으로 제거할 수 있다. 실험에서는 공통 모드 전압 이득과 차동 모드 전압 이득을 측정하여 CMRR을 계산하였고, 200 이상의 CMRR 특성을 확인하였다.

• 3. 능동 부하

  이 실험에서는 트랜지스터를 이용한 능동 부하를 사용하였다. 능동 부하는 저항 부하에 비해 공정 변화에 대한 변화량이 적고, 추가 비용이 들지 않는 장점이 있다. 능동 부하 회로를 구성하여 원하는 전압 이득과 CMRR 특성을 얻을 수 있었다.

• 4. 정전류원

  차동 증폭기의 안정성과 선형성을 유지하기 위해 정전류원 회로를 구성하였다. 실험 절차에 따라 저항값 R을 변화시키면서 I_REF 전류가 I_SS와 같아지도록 정전류원을 설계하였다.

• 5. MOSFET 특성

  차동 증폭기 설계를 위해 MOSFET M1, M2의 동작점을 결정하고, 원하는 gm을 제공하는 I_SS 전류가 흐르도록 M3의 게이트 전압을 고정하였다. 또한 PMOS와 NMOS의 주요 파라미터를 고려하여 회로를 설계하였다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. 차동 증폭기

  차동 증폭기는 전자 회로에서 매우 중요한 역할을 합니다. 두 개의 입력 신호 간의 차이를 증폭하여 출력으로 전달하는 기능을 수행합니다. 이를 통해 원하는 신호를 선별하고 증폭할 수 있습니다. 차동 증폭기는 잡음 제거, 신호 증폭, 차동 신호 처리 등 다양한 용도로 사용됩니다. 특히 연산 증폭기, 계측기, 통신 시스템 등에서 널리 활용됩니다. 차동 증폭기의 설계 시 입력 오프셋 전압, 공통 모드 제거비, 이득 정확도 등의 특성을 고려해야 합니다. 이를 통해 안정적이고 신뢰성 있는 회로 동작을 보장할 수 있습니다.

• 2. 공통 모드 제거비(CMRR)

  공통 모드 제거비(CMRR)는 차동 증폭기의 중요한 성능 지표 중 하나입니다. CMRR은 차동 증폭기가 공통 모드 신호를 제거하는 능력을 나타냅니다. 공통 모드 신호는 두 입력 단자에 동시에 가해지는 신호로, 이상적인 차동 증폭기에서는 출력에 영향을 미치지 않아야 합니다. 하지만 실제 회로에서는 완벽한 공통 모드 제거가 어려워 CMRR 값이 중요해집니다. CMRR이 높을수록 공통 모드 신호의 영향을 더 잘 제거할 수 있습니다. CMRR은 회로 설계 시 고려해야 할 중요한 요소이며, 이를 높이기 위한 다양한 기술이 개발되고 있습니다.

• 3. 능동 부하

  능동 부하는 전자 회로에서 부하 저항을 대체하여 사용되는 회로 구성입니다. 능동 부하는 트랜지스터를 이용하여 구현되며, 수동 저항에 비해 다양한 장점을 가집니다. 능동 부하는 높은 출력 임피던스를 제공하여 회로의 이득을 높일 수 있고, 전압 스윙 범위를 확대할 수 있습니다. 또한 전압 변동에 대한 안정성이 높아 회로 성능 향상에 기여합니다. 능동 부하는 증폭기, 스위칭 회로, 전력 변환 회로 등 다양한 분야에서 활용됩니다. 능동 부하 설계 시 트랜지스터의 바이어스 조건, 부하 특성, 전력 소모 등을 고려해야 합니다.

• 4. 정전류원

  정전류원은 전자 회로에서 매우 중요한 회로 구성 요소입니다. 정전류원은 입력 전압 변동이나 부하 변동에도 일정한 전류를 공급할 수 있는 회로입니다. 이를 통해 회로의 안정성과 신뢰성을 높일 수 있습니다. 정전류원은 바이어스 회로, 전력 증폭기, 센서 구동 회로 등 다양한 분야에서 활용됩니다. 정전류원 설계 시 전류 정밀도, 전압 변동 특성, 부하 변동 특성 등을 고려해야 합니다. 또한 트랜지스터, 저항, 전압 기준원 등의 선택과 배치가 중요합니다. 정전류원은 회로 설계의 핵심 요소로서 전자 공학 분야에서 매우 중요한 역할을 합니다.

• 5. MOSFET 특성

  MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)은 전자 회로에서 널리 사용되는 핵심 소자입니다. MOSFET은 게이트, 소스, 드레인의 3단자 구조로 이루어져 있으며, 게이트 전압에 따라 소스-드레인 간 전류를 제어할 수 있습니다. MOSFET의 주요 특성으로는 높은 입력 임피던스, 낮은 전력 소모, 빠른 스위칭 속도 등이 있습니다. 이러한 특성으로 인해 MOSFET은 증폭기, 스위칭 회로, 디지털 회로 등 다양한 분야에서 활용됩니다. MOSFET 설계 시 문턱 전압, 트랜스컨덕턴스, 드레인 전류 특성 등을 고려해야 합니다. 또한 공정 기술 발전에 따라 MOSFET의 크기와 성능이 지속적으로 향상되고 있어, 전자 회로 설계에서 MOSFET의 중요성은 더욱 커지고 있습니다.