Common Emitter Amplifier의 주파수 특성 실험 결과

문서 내 토픽

1. Common Emitter Amplifier

Common Emitter Amplifier는 모든 BJT amplifier 구성 중에서 가장 널리 사용되는 증폭기이다. 이 실험에서는 저번 실험에서 설계한 Common Emitter Amplifier의 주파수 특성을 측정하였다. DC 전압 측정 결과 오차는 1% 내외였으나, base 전류는 13.3%의 오차를 보였다. 이는 전류값의 단위가 마이크로 단위로 매우 작아 측정 장비의 정밀도 한계로 인한 것이다. 또한 β값의 오차율은 15.3%를 나타냈다.
2. 주파수 응답 특성

주파수를 변화시키면서 전체 gain의 변화를 측정한 결과, 저주파에서는 gain이 낮다가 주파수가 증가하면서 gain이 증가하여 일정해지다가 고주파에서 급격하게 감소하는 특성을 보였다. 저주파에서 gain이 낮은 이유는 coupling capacitor와 bypass capacitor가 무시할 수 없는 임피던스를 가지기 때문이고, 고주파에서 gain이 감소하는 이유는 트랜지스터의 내부 capacitor의 영향 때문이다. 측정된 bandwidth는 약 300kHz에서 460kHz 범위이다.
3. Capacitor의 영향

커패시터의 값을 변화시키면서 주파수 특성의 변화를 관찰하였다. 모든 커패시터가 10uF일 때 bandwidth는 약 344.6kHz였고, coupling capacitor만 0.1uF로 변경했을 때는 약 388.4kHz, 두 개의 coupling capacitor를 0.1uF로 변경했을 때는 약 457.9kHz로 나타났다. 커패시터 값의 감소는 bandwidth를 증가시키는 경향을 보였다.
4. BJT의 비선형 특성

실제 BJT의 입출력 관계식은 지수함수이므로 비선형적이다. 이론값과 측정값의 차이는 BJT의 비선형적 특성과 오실로스코프의 노이즈로 인한 것이다. 입력전압이 매우 작아서 오실로스코프의 노이즈가 심하게 나타났으며, 정확한 측정을 위해 여러 번 측정한 값들의 평균을 사용하였다. 이러한 이유를 최소화하기 위해 emitter 저항을 사용하였다.

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1. Common Emitter Amplifier

Common Emitter Amplifier는 BJT 기반 증폭기 중 가장 널리 사용되는 구성으로, 입력과 출력이 180도 위상차를 가지며 높은 전압 이득을 제공합니다. 이 구성은 간단한 회로 설계와 우수한 성능으로 인해 아날로그 회로 설계에서 필수적인 요소입니다. 베이스 바이어싱, 콜렉터 저항, 이미터 저항 등의 설계 파라미터를 적절히 조정하면 원하는 이득과 임피던스 특성을 얻을 수 있습니다. 다만 주파수가 증가할수록 성능이 저하되는 한계가 있으며, 고주파 응용에서는 추가적인 보상이 필요합니다.
2. 주파수 응답 특성

주파수 응답 특성은 증폭기의 성능을 평가하는 핵심 지표로, 저주파 차단 주파수, 고주파 차단 주파수, 그리고 대역폭을 결정합니다. BJT 증폭기의 경우 결합 커패시터와 바이패스 커패시터에 의해 저주파 응답이 결정되며, 접합 커패시턴스와 기생 인덕턴스에 의해 고주파 응답이 제한됩니다. 보드 선도를 통해 이득과 위상 특성을 시각화할 수 있으며, 이는 안정성 분석과 보상 설계에 중요한 역할을 합니다. 실제 응용에서는 원하는 대역폭 내에서 평탄한 응답을 유지하도록 설계해야 합니다.
3. Capacitor의 영향

커패시터는 BJT 증폭기에서 DC 바이어싱과 AC 신호 처리를 분리하는 중요한 역할을 수행합니다. 결합 커패시터는 저주파 차단 주파수를 결정하며, 값이 작을수록 차단 주파수가 높아져 저주파 신호가 감쇠됩니다. 바이패스 커패시터는 이미터 저항을 AC 신호에 대해 단락시켜 이득을 증가시키지만, 저주파에서는 임피던스가 높아 효과가 제한됩니다. 또한 기생 커패시턴스는 고주파에서 이득을 감소시키고 위상 지연을 유발합니다. 따라서 커패시터 값의 선택은 원하는 주파수 대역과 이득 특성을 달성하기 위해 신중하게 계산되어야 합니다.
4. BJT의 비선형 특성

BJT의 비선형 특성은 입력 신호의 크기가 증가할 때 증폭기의 성능을 제한하는 주요 요인입니다. 작은 신호 영역에서는 선형 모델로 근사할 수 있지만, 신호가 커지면 포화 영역이나 차단 영역에 진입하여 신호 왜곡이 발생합니다. 또한 베이스-이미터 접합의 지수 특성으로 인해 입력-출력 관계가 비선형이며, 온도 변화에 따라 특성이 변합니다. 이러한 비선형성은 고조파 왜곡을 유발하고 신호 충실도를 저하시킵니다. 선형 증폭 영역을 유지하고 왜곡을 최소화하려면 적절한 바이어싱과 신호 레벨 제어가 필수적입니다.

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