서강대학교 22년도 전자회로실험 10주차 결과레포트

문서 내 토픽

1. MOSFET 소스 팔로워

소스 팔로어의 이론적인 전압이득은 1/gm이 작은 값이기에, 거의 1에 가까운 이득을 보인다. 바이어스가 포함된 소스 팔로어의 경우도, 소신호 등가회로를 이용해 전압이득을 계산할 수 있다. 실험 결과, 소스 팔로어의 전압이득을 측정해본 결과, 0.93이 나왔고, 이론값과 3.9%의 오차만 있어 소스 팔로어로서 잘 동작하고 있다고 할 수 있다.
2. 1단 증폭기

1단 증폭기는 등가회로로 생각할 수 있고, 이때 전압이득은 쉽게 구할 수 있다. 실험 결과, 1단 증폭기의 전압이득은 이론값 3.955와 측정값 3.88의 오차가 1.8%로 매우 낮았다.
3. 2단 증폭기

1단 증폭기 2개를 cascading하여 2단 증폭기를 설계할 수 있다. 이때 최종 전압이득은 각 단의 전압이득을 곱한 것으로 계산된다. 실험 결과, 첫째 단 전압이득은 3.96, 둘째 단 전압이득은 3.89로 1단 증폭기와 동일했고, 전체 전압이득은 15.4로 측정되었다.
4. MOSFET 동작 영역

실험에 사용한 MOSFET의 Vt는 1.4V로 주어져있다. 따라서 VOV = VGS – Vt = 0.091V인데, VDS는 9.76V로, VOV보다 크다. 따라서 포화영역에 바이어스되어 있음을 알 수 있다.
5. 출력 신호 왜곡

입력 신호의 진폭이 증가함에 따라 출력 신호에 왜곡이 발생하는데, 이는 MOSFET의 동작 영역 제한 때문이다. 소스 노드의 DC 전압이 낮아 출력 신호가 0V 아래로 내려갈 수 없고, 드레인 노드의 DC 전압이 높아 출력 신호가 VDD 이상으로 올라갈 수 없기 때문에 왜곡이 발생한다.

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1. MOSFET 소스 팔로워

MOSFET 소스 팔로워는 전압 증폭기의 한 종류로, 입력 전압과 출력 전압이 거의 동일한 특성을 가지고 있습니다. 이는 MOSFET의 소스 단자와 부하 사이에 연결되어 있기 때문입니다. 소스 팔로워는 입력 임피던스가 매우 높고 출력 임피던스가 낮아 부하에 대한 영향을 최소화할 수 있습니다. 이러한 특성으로 인해 버퍼 증폭기, 전압 레귤레이터, 센서 구동 회로 등 다양한 응용 분야에서 활용됩니다. 또한 MOSFET의 선형 동작 영역에서 동작하므로 왜곡이 적은 출력 신호를 얻을 수 있습니다. 다만 전압 이득이 1 미만이라는 단점이 있어 추가적인 증폭 단이 필요할 수 있습니다.
2. 1단 증폭기

1단 증폭기는 가장 기본적인 증폭 회로로, 단일 증폭 소자(예: 트랜지스터, 연산 증폭기 등)를 사용하여 입력 신호를 증폭합니다. 이 회로는 간단한 구조와 설계로 인해 널리 사용되며, 다양한 응용 분야에서 활용됩니다. 1단 증폭기의 주요 특성으로는 전압 이득, 입력 임피던스, 출력 임피던스 등이 있습니다. 이러한 특성들은 증폭기의 성능을 결정하는 중요한 요소이며, 회로 설계 시 고려해야 합니다. 또한 1단 증폭기는 단일 증폭 소자의 특성에 따라 선형성, 주파수 특성, 잡음 특성 등이 달라질 수 있습니다. 따라서 응용 분야에 맞는 증폭기 설계가 필요합니다.
3. 2단 증폭기

2단 증폭기는 2개의 증폭 소자를 직렬로 연결하여 구성된 증폭기입니다. 이를 통해 단일 증폭기에 비해 더 높은 전압 이득을 얻을 수 있습니다. 2단 증폭기는 일반적으로 입력 증폭기와 출력 증폭기로 구성되며, 각 단계에서 신호를 증폭하여 최종 출력을 생성합니다. 이러한 구조를 통해 높은 이득, 낮은 잡음, 향상된 주파수 특성 등의 장점을 얻을 수 있습니다. 하지만 회로 구성이 복잡해지고 전력 소모가 증가하는 단점도 있습니다. 따라서 응용 분야와 요구 사항에 따라 적절한 2단 증폭기 설계가 필요합니다. 예를 들어 오디오 증폭기, 계측 증폭기, 무선 통신 시스템 등에서 2단 증폭기가 널리 사용됩니다.
4. MOSFET 동작 영역

MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)은 세 가지 주요 동작 영역을 가지고 있습니다. 이는 차단 영역, 선형 영역, 포화 영역입니다. 차단 영역에서는 MOSFET이 완전히 차단되어 전류가 흐르지 않습니다. 선형 영역에서는 MOSFET이 선형적으로 동작하여 입력 신호에 비례하는 출력 신호를 생성합니다. 포화 영역에서는 MOSFET이 포화되어 출력 전압이 일정한 값을 유지합니다. 이러한 MOSFET의 동작 영역은 회로 설계 시 매우 중요한 고려 사항입니다. 예를 들어 증폭기 회로에서는 선형 영역에서 동작하도록 설계하여 왜곡이 적은 출력 신호를 얻을 수 있습니다. 반면 스위칭 회로에서는 차단 영역과 포화 영역을 활용하여 디지털 신호를 생성할 수 있습니다. 따라서 MOSFET의 동작 영역을 정확히 이해하고 활용하는 것이 중요합니다.
5. 출력 신호 왜곡

출력 신호 왜곡은 증폭기 회로에서 발생할 수 있는 중요한 문제 중 하나입니다. 이는 증폭기의 비선형적인 특성, 부하 변화, 전원 공급 변동, 잡음 등 다양한 요인에 의해 발생할 수 있습니다. 대표적인 왜곡 유형으로는 클리핑 왜곡, 크로스오버 왜곡, 고조파 왜곡 등이 있습니다. 이러한 왜곡은 출력 신호의 형태를 변형시켜 원래의 입력 신호와 다른 신호를 생성하게 됩니다. 이는 증폭기의 성능을 저하시키고 오디오, 영상, 통신 등 다양한 응용 분야에서 문제를 야기할 수 있습니다. 따라서 출력 신호 왜곡을 최소화하기 위해서는 증폭기 설계 시 선형성 향상, 부하 보상, 전원 안정화 등의 기술이 필요합니다. 또한 피드백 회로, 클리핑 회로 등의 보완 회로를 활용하여 왜곡을 효과적으로 제거할 수 있습니다.