Common Emitter Amplifier 주파수 특성 분석

문서 내 토픽

1. Common Emitter Amplifier의 주파수 특성

Emitter 저항을 사용한 Common Emitter Amplifier의 주파수 특성을 측정하고 평가한다. 100 kHz, 20 mVpp 사인파 입력 시 출력파형을 PSPICE로 시뮬레이션하여 최대값 153.346mV, 최소값 161.546mV를 얻었으며 max/min 비율은 94.92%이다. 전체 전압 이득은 -14.7(V/V)이고, 10 Hz에서 10 MHz까지의 주파수 응답 특성을 로그 스케일로 분석한다.
2. 3dB Bandwidth 및 Unit Gain Frequency

입력신호 주파수가 10 Hz에서 Unit gain frequency까지 변할 때 CE amplifier의 주파수 특성을 분석한다. Overall gain의 최댓값은 23.8 dB이고, 3 dB frequency는 20.8 dB일 때 612 Hz와 16.1 MHz에서 나타난다. Unit gain frequency는 38.9 Hz이며, 이는 gain이 0 dB가 되는 지점의 주파수이다.
3. 저항 변화에 따른 주파수 특성 영향

RE를 +10%, -10%로 변경하여 주파수 응답 특성을 분석한다. +10% 변경 시 Overall gain 최대값 23.2 dB, 3 dB bandwidth 17.58 MHz, unity gain frequency 38.92 Hz이다. -10% 변경 시 Overall gain 최대값 24.79 dB, 3 dB bandwidth 14.8 MHz, unity gain frequency 38.8 Hz이다. Overall gain은 RC∥RL에 비례하므로 RE 변화에 따라 이득이 변한다.
4. 커패시터 용량 변화의 영향

CE 커패시터를 0.1 uF로 변경하면 unit gain frequency가 3.8 kHz로 크게 증가하고, Overall gain 최대값은 23.92 dB로 감소한다. 두 개의 커패시터를 0.1 uF로 변경하면 unit gain frequency는 116.7 Hz로 증가한다. Low cut-off frequency는 CE와 반비례 관계이므로 커패시터 용량이 작을수록 cut-off frequency가 높아진다.

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1. Common Emitter Amplifier의 주파수 특성

Common Emitter Amplifier의 주파수 특성은 트랜지스터 기반 증폭기의 기본적이면서도 중요한 특성입니다. 저주파 영역에서는 결합 커패시터와 바이패스 커패시터에 의해 신호가 감쇠되며, 고주파 영역에서는 트랜지스터의 기생 용량과 소자의 한계로 인해 이득이 감소합니다. 이러한 주파수 응답 특성을 정확히 이해하는 것은 실제 회로 설계에서 필수적입니다. 특히 증폭기의 대역폭, 이득 평탄성, 위상 특성 등을 예측하고 최적화하는 데 매우 중요합니다. 주파수 특성 분석을 통해 회로의 성능 한계를 파악하고 개선 방안을 도출할 수 있습니다.
2. 3dB Bandwidth 및 Unit Gain Frequency

3dB Bandwidth는 증폭기의 유효 작동 대역폭을 정의하는 핵심 지표로서, 최대 이득에서 3dB 감소한 지점까지의 주파수 범위를 나타냅니다. 이는 신호 처리 시스템의 성능을 평가하는 표준적인 기준입니다. Unit Gain Frequency는 증폭기의 이득이 1(0dB)이 되는 주파수로, 회로의 안정성과 주파수 응답 특성을 판단하는 중요한 매개변수입니다. 두 지표 모두 회로 설계 시 신호 대역폭 요구사항과 노이즈 특성을 고려하여 최적화되어야 합니다. 이들 파라미터의 정확한 측정과 분석은 고성능 증폭기 설계의 기초가 됩니다.
3. 저항 변화에 따른 주파수 특성 영향

Common Emitter Amplifier에서 저항값의 변화는 직류 바이어스 조건뿐만 아니라 주파수 특성에도 직접적인 영향을 미칩니다. 컬렉터 저항의 증가는 일반적으로 저주파 이득을 증가시키지만 고주파 특성을 악화시킬 수 있습니다. 이미터 저항은 회로의 안정성과 입력 임피던스에 영향을 주며, 베이스 저항은 입력 신호 경로의 특성을 결정합니다. 각 저항값의 최적화는 원하는 주파수 대역에서의 이득, 대역폭, 임피던스 정합 등을 균형있게 달성하기 위해 필수적입니다. 따라서 회로 설계 시 저항값 선택은 신중한 트레이드오프 분석을 요구합니다.
4. 커패시터 용량 변화의 영향

결합 커패시터와 바이패스 커패시터의 용량값은 Common Emitter Amplifier의 저주파 특성을 결정하는 가장 중요한 요소입니다. 결합 커패시터의 용량이 작을수록 저주파 차단 주파수가 높아져 저주파 신호가 감쇠되며, 용량이 클수록 저주파 응답이 개선됩니다. 바이패스 커패시터는 이미터 저항을 우회하여 고주파 이득을 증가시키는 역할을 하며, 그 용량값에 따라 주파수 응답이 크게 달라집니다. 기생 용량은 고주파 특성을 제한하는 주요 요인입니다. 따라서 커패시터 용량의 적절한 선택은 원하는 주파수 대역폭과 이득 특성을 달성하기 위한 핵심 설계 파라미터입니다.

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