BJT 다단 증폭기 설계 및 구현

문서 내 토픽

1. 차동 증폭기(Differential Amplifier)

BJT를 이용한 차동 증폭기는 두 개의 트랜지스터로 구성되며, 공통 이미터 저항을 통해 고정된 꼬리 전류를 생성한다. 비반전 입력과 반전 입력을 받아 단측 또는 차동 출력을 생성할 수 있다. 입력 임피던스는 2βr'e로 CE 증폭기보다 2배 높으며, 공통신호 제거비(CMRR)는 R_E/r'e로 표현된다. 차동 증폭기의 전압이득은 A_V = R_C/(2r'e)이고, 공통신호에 대한 이득은 A_V(CM) = R_C/(2R_E)이다.
2. VDB 증폭기(Voltage Divider Bias CE Amplifier)

VDB 방식의 CE 증폭기는 전압분배기를 통해 안정한 베이스 바이어스를 제공한다. DC 설계에서 Q점을 부하선 중앙에 위치시키기 위해 V_CE = V_CC/2로 설정하고, 이미터 저항은 V_E = 0.1V_CC로 결정한다. 전압이득은 A_V = (R_C ∥ R_L)/r'e이며, 입력 임피던스는 Z_in(stage) = R_1 ∥ R_2 ∥ βr'e이다. Stiff 또는 Firm 전압분배기 조건을 만족하여 안정성을 확보한다.
3. 이미터 폴로워(Emitter Follower)

이미터 폴로워는 CC 증폭기로 컬렉터가 교류 접지되어 있다. 전압이득은 약 1에 가까우며, 출력 임피던스는 R_E ∥ (r'e + (R_G ∥ R_1 ∥ R_2)/β)로 매우 낮다. 높은 입력 임피던스와 낮은 출력 임피던스를 가져 버퍼 역할을 하며, 로딩 효과를 감소시킨다. 주로 다단 증폭기의 마지막 단에 사용되어 부하에 안정적인 신호를 전달한다.
4. 주파수 응답 및 대역폭 설계

증폭기의 주파수 응답은 중간대역, 하측 차단주파수 f_1, 상측 차단주파수 f_2로 특성화된다. 대역폭은 BW = f_2 - f_1이며, 차단주파수는 전압이득이 최대값의 0.707배가 되는 지점이다. 입출력 결합 커패시터와 이미터 바이패스 커패시터가 하측 차단주파수를 결정하고, Miller 효과와 내부 커패시턴스가 상측 차단주파수를 결정한다. 지연회로(Lag Circuit)를 사용하여 상측 차단주파수를 조절할 수 있다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

1. 차동 증폭기(Differential Amplifier)

차동 증폭기는 두 입력 신호의 차이를 증폭하는 핵심 회로로, 공통 모드 신호를 억제하면서 차동 신호만 증폭합니다. 이는 노이즈 제거와 신호 무결성 향상에 매우 효과적입니다. 특히 의료기기, 센서 신호 처리, 오디오 장비 등에서 광범위하게 사용됩니다. 대칭적 구조로 인한 우수한 성능과 공통 모드 제거비(CMRR)의 높은 값이 장점입니다. 다만 정밀한 부품 매칭이 필요하며, 회로 설계 시 온도 변화와 부품 공차를 고려해야 합니다. 현대 아날로그 회로 설계에서 필수적인 기본 구성 요소입니다.
2. VDB 증폭기(Voltage Divider Bias CE Amplifier)

VDB 증폭기는 안정적인 바이어스 조건을 제공하는 실용적인 설계 방식입니다. 전압 분배기를 통한 베이스 바이어스 방식은 온도 변화와 트랜지스터 특성 변화에 대한 우수한 안정성을 제공합니다. 이는 산업용 응용에서 신뢰성 있는 동작을 보장합니다. 설계가 상대적으로 간단하고 부품 수가 적어 비용 효율적입니다. 다만 정확한 이득 계산과 임피던스 매칭이 필요하며, 주파수 특성을 고려한 커플링 커패시터 선정이 중요합니다. 실무에서 널리 사용되는 신뢰할 수 있는 증폭 회로입니다.
3. 이미터 폴로워(Emitter Follower)

이미터 폴로워는 높은 입력 임피던스와 낮은 출력 임피던스를 제공하는 버퍼 증폭기로, 임피던스 변환에 탁월합니다. 전압 이득이 1에 가까워 신호 왜곡이 적고, 출력이 입력을 따라가는 특성으로 인해 안정적입니다. 신호 소스와 부하 간의 임피던스 매칭에 매우 유용하며, 저잡음 특성으로 인해 정밀 측정 회로에 적합합니다. 다만 약 0.7V의 전압 강하가 발생하고, 전류 이득이 제한적입니다. 오디오 앰프, 센서 인터페이스, 신호 버퍼 등 다양한 응용에서 필수적인 회로입니다.
4. 주파수 응답 및 대역폭 설계

주파수 응답과 대역폭 설계는 증폭기의 성능을 결정하는 중요한 요소입니다. 저주파 차단 주파수는 커플링 커패시터로, 고주파 차단 주파수는 기생 용량으로 결정됩니다. 적절한 대역폭 설계는 신호 충실도를 보장하고 노이즈를 최소화합니다. 보드 선도를 통한 주파수 특성 분석은 회로 안정성 평가에 필수적입니다. 실제 설계에서는 부품의 기생 효과, 레이아웃 영향, 온도 변화 등을 종합적으로 고려해야 합니다. 정확한 주파수 응답 설계는 고품질 신호 처리 시스템 구현의 기초입니다.

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