전자공학실험 11장 공통 소오스 증폭기 A+ 결과보고서

문서 내 토픽

1. 공통 소오스 증폭기

이 실험에서는 MOSFET을 이용한 공통 소오스 증폭기의 동작 원리를 공부하고, 실험을 통하여 특성을 측정하고자 한다. 공통 소스 증폭기는 게이트가 입력 단자, 드레인이 출력 단자, 소스가 공통 단자인 증폭기로서 높은 전압 이득을 얻을 수 있는 장점이 있어 널리 사용되고 있다. 이 실험에서는 공통 소스 증폭기의 입력-출력 특성 곡선을 구하고, 소신호 등가회로의 개념을 적용하여 전압 이득을 구해본 다음, 실험을 통하여 동작을 확인하고자 한다.
2. MOSFET 동작 영역

NMOS에서 VGS>=Vth이면서 VDS>=VGS-Vth인 경우에 포화 영역이 되고, VGS>Vth이면서 VDS
3. 소신호 등가회로

포화 영역에서 회로가 동작하는 경우 MOSFET의 트랜스컨덕턴스 gm값, 출력 저항 RD를 구하여 소신호 등가회로를 그리고, 실험회로 1의 공통 소오스 증폭기의 이론적인 전압 이득을 계산할 수 있었다.
4. 전압 이득 측정

실험회로 1과 실험회로 2에서 각각 입력에 10kHz의 0.01Vp-p 정현파를 인가하고 입력-출력 전압을 측정하여 전압 이득을 계산하였다. 실험회로 1에서는 전압 이득이 12.276dB, 실험회로 2에서는 25.174dB로 측정되었다. 커패시터의 유무에 따라 전압 이득이 크게 달라짐을 확인할 수 있었다.
5. 커패시터의 역할

실험회로 2에 추가된 커패시터는 교류 신호를 잘 흘려주는 역할을 하여, 출력 쪽의 전압을 키워 전압이득을 크게 해주는 역할을 한다. 주파수가 높아지면 커패시터의 저항 값이 작아지기 때문에 높은 주파수에서 교류 신호를 잘 전달할 수 있다.
6. 실험 결과와 시뮬레이션 결과의 차이

실험회로 1에서 실험을 통해 얻은 전압 이득이 예비 보고 사항에서 PSpice를 이용해 구한 전압 이득보다 크게 나왔다. 이는 실제 실험에서의 회로 설정과 저항 소자 값이 시뮬레이션과 다르기 때문이며, 실제 실험에서는 이론적인 무손실 회로가 아니기 때문에 발생한 차이로 볼 수 있다.
7. 실험 과정에서의 고찰

이번 실험을 통해 MOSFET을 활용한 공통 소오스 증폭기의 동작 원리와 전압 이득 특성을 이해할 수 있었다. 특히 VGS-VDS 그래프를 실험을 통해 직접 확인할 수 있었던 점이 좋았다. 다만 측정 시간이 길어짐에 따라 전류가 더 많이 흘러 측정값에 차이가 났을 것 같아 아쉬웠고, 향후 실험에서는 더 빠르게 측정할 수 있는 방법을 고려해볼 필요가 있다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

1. 공통 소오스 증폭기

공통 소오스 증폭기는 MOSFET을 이용한 기본적인 증폭 회로입니다. 이 회로는 입력 신호를 증폭하여 출력 단에 전달하는 역할을 합니다. 공통 소오스 증폭기의 주요 특성으로는 높은 전압 이득, 낮은 입력 임피던스, 높은 출력 임피던스 등이 있습니다. 이러한 특성을 활용하여 다양한 전자 회로에서 널리 사용되고 있습니다. 공통 소오스 증폭기의 동작 원리와 특성을 이해하는 것은 전자 회로 설계에 있어 매우 중요한 기초 지식이라고 할 수 있습니다.
2. MOSFET 동작 영역

MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)은 전자 회로에서 매우 중요한 능동 소자입니다. MOSFET은 크게 세 가지 동작 영역, 즉 차단 영역, 선형 영역, 포화 영역으로 나뉩니다. 각 영역에서 MOSFET의 특성이 다르게 나타나므로, 회로 설계 시 MOSFET의 동작 영역을 정확히 파악하는 것이 중요합니다. 차단 영역에서는 MOSFET이 스위치 역할을 하며, 선형 영역에서는 증폭기 역할을, 포화 영역에서는 스위치 역할을 합니다. 이러한 MOSFET의 동작 특성을 이해하고 적절한 영역에서 동작시키는 것은 전자 회로 설계의 핵심이라고 할 수 있습니다.
3. 소신호 등가회로

소신호 등가회로는 전자 회로 분석에 있어 매우 중요한 개념입니다. 이는 복잡한 회로를 단순화하여 분석할 수 있게 해줍니다. 소신호 등가회로는 회로의 선형 동작 영역에서 성립하며, 회로 요소들을 등가 소자로 대체하여 회로를 단순화합니다. 이를 통해 회로의 동작을 쉽게 이해하고 분석할 수 있습니다. 소신호 등가회로 분석은 증폭기, 필터, 발진기 등 다양한 전자 회로 설계에 활용되며, 회로 설계 및 분석 능력 향상에 매우 중요한 기술이라고 할 수 있습니다.
4. 전압 이득 측정

전압 이득은 증폭기의 중요한 성능 지표 중 하나입니다. 전압 이득은 입력 신호 전압에 대한 출력 신호 전압의 비율로 정의됩니다. 전압 이득 측정은 증폭기의 동작 특성을 파악하고 성능을 평가하는 데 필수적입니다. 정확한 전압 이득 측정을 위해서는 입력 신호와 출력 신호의 진폭, 주파수 특성 등을 고려해야 합니다. 또한 측정 장비의 특성과 측정 환경 등도 고려해야 합니다. 전압 이득 측정 결과는 증폭기 설계 및 최적화에 활용될 수 있으며, 이를 통해 증폭기의 성능을 향상시킬 수 있습니다.
5. 커패시터의 역할

커패시터는 전자 회로에서 매우 중요한 수동 소자입니다. 커패시터는 전하를 저장하고 방출하는 특성을 가지고 있어, 회로에서 다양한 역할을 수행합니다. 예를 들어 커패시터는 AC 신호 통과 및 차단, 전원 필터링, 바이어스 안정화, 결합 및 분리 등의 기능을 합니다. 또한 커패시터는 회로의 주파수 특성을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. 따라서 회로 설계 시 커패시터의 용량, 동작 주파수 범위, 전압 등의 특성을 고려하여 적절한 커패시터를 선택하는 것이 중요합니다. 이를 통해 회로의 안정적이고 효율적인 동작을 보장할 수 있습니다.
6. 실험 결과와 시뮬레이션 결과의 차이

실험 결과와 시뮬레이션 결과의 차이는 전자 회로 설계 및 분석에 있어 중요한 고려 사항입니다. 이러한 차이는 다양한 요인에 의해 발생할 수 있습니다. 예를 들어 시뮬레이션 모델의 한계, 실험 장비의 오차, 실험 환경의 영향 등이 그 원인이 될 수 있습니다. 이러한 차이를 최소화하기 위해서는 정확한 시뮬레이션 모델 구축, 신뢰할 수 있는 실험 장비 사용, 실험 환경 제어 등의 노력이 필요합니다. 또한 실험 결과와 시뮬레이션 결과를 면밀히 비교 분석하여 차이의 원인을 파악하고 이를 해결하는 것이 중요합니다. 이를 통해 보다 정확한 회로 설계 및 분석이 가능해질 것입니다.
7. 실험 과정에서의 고찰

실험 과정에서의 고찰은 전자 회로 설계 및 분석에 있어 매우 중요한 부분입니다. 실험을 통해 회로의 동작 특성을 확인하고 이해하는 것은 필수적이지만, 실험 과정에서 발생할 수 있는 다양한 요인들을 고려하는 것도 중요합니다. 예를 들어 측정 장비의 한계, 실험 환경의 영향, 실험 방법의 적절성 등을 면밀히 검토해야 합니다. 또한 실험 결과를 분석할 때 발생할 수 있는 오차 및 편차의 원인을 파악하고 이를 해결하는 노력이 필요합니다. 이를 통해 보다 신뢰할 수 있는 실험 결과를 얻을 수 있으며, 이는 회로 설계 및 분석에 활용될 수 있습니다. 실험 과정에서의 고찰은 전자 공학 분야에서 매우 중요한 능력이라고 할 수 있습니다.