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아날로그 집적회로 선형증폭기 결과보고서

실험20. 아날로그 집적회로- 선형증폭기[결과보고서]제 출 일학 과과 목담당교수이 름이 름학 번학 번1. 실험 목적(1) IC 제작 기술을 익힌다.(2) IC 중전력 음성 주파수 증폭기를 접속하고, 그 작동을 알아본다.2. 기초 이론? 실험 개관이번 실험은 집적회로를 이해하고 작동을 알아보는 실험이다. Monolithic integrated audio amplifier KA2201을 이용하여 테스트 회로를 구성하고, 주파수 응답을 관찰하여 전압 이득을 확인하도록 한다.? 집적회로(IC)의 장단점집적회로란 한 개의 트랜지스터 부피 속에 독특한 배선을 통해서 트랜지스터, 다이오드 등의 능동 소자와 저항, 캐패시터 등의 수동 소자를 결합한 회로이다. 집적 회로는 PCB 기술과 플래너 트랜지스터 제조 기술의 부산물이다. 소자를 직접 사용하지 않고 집적 회로를 사용했을 때의 장점은 첫째로 기기의 소형화가 가능하다는 점, 둘째로 제조 가격이 저렴해진다는 점, 셋째로 여러 분야에서 사용되도록 설계되어 외부 소자와의 배열에 따라 다양한 용도로 쓰일 수 있다는 점, 그리고 신뢰성이 좋다는 점이다. 반면, 높은 전압과 전류, 열에 약하고 발진 혹은 노이즈가 발생할 가능성이 있다는 단점을 가진다.3. 실험 부품 및 장비- 전원: 전원 공급기, 정현파 신호 발생기- 장비: 2-채널 오실로스코프- 저항: 1OMEGA, 8OMEGA, 56OMEGA, 120OMEGA, 10kOMEGA- 커패시터: 680pF 2개, 0.1uF, 47uF, 100uF 3개, 470uF- 반도체: KA2201 IC칩4. 실험 방법실험 과정동안 스피커가 없었으므로 과정 5번부터 진행하였다. 이번 실험에서는 책에 나와 있는 소자인 CA3020이 아닌 KA2201로 대체하였고 PSPICE에서는 KA2201소자 대신 UA741소자로 대체하여 시뮬레이션을 진행하였다. 실험에 앞서 아래와 같이 회로를 구성하였다.Vcc에 9V의 DC전압을 공급하고, Vin으로 1kHz, 20mV의 정현파를 입력한다. 신호발생기의 주파수를 sweep하며 Vout의 파형과 측정값을 확인하여 표 20-1과 20-2에 결과를 기입한다.5. PSPICE 시뮬레이션KA2201 대신 uA741을 이용하여 회로를 구성한 후 10Hz에서 100kHz의 범위에서 AC Sweep을 한 결과 다음과 같은 그래프를 얻을 수 있었다.시뮬레이션 결과를 보면 Vout이 10Hz의 저주파 대역에서 증가한 다음 대략 90Hz부터 10kHz 정도까지 대략 거의 일정한 값을 보인다. 그 이후 다시 감소하는 형태이다. 또한 3dB 기준으로 대역폭을 결정하면 약 10kHz임을 확인할 수 있었다. 따라서 이 회로는 약 10kHz의 대역폭을 갖는 band pass filter이다.6. 실험결과 및 분석? 실험결과(1) 주파수 응답KA2201을 이용하여 회로를 구성하고 입력 신호의 주파수를 10Hz부터 10kHz까지 증가시키며 output단의 전압을 측정하였다. 그 결과는 아래의 표와 같다.주파수, HzV _{out}, V100.568301.011001.213001.241k1.272k1.213k1.164k1.105k1.0210k0.808실험결과를 바탕으로 주파수(x축)을 linar scale과 log scale로 나타내면 위와 같은 그래프를 얻을 수 있었다. 그래프를 보면 Vout이 저주파 대역에서 증가한 다음 100Hz부터 2~3kHz까지 대략 거의 일정한 값을 보이고 1kHz 인근에서 가장 큰 값을 가짐을 확인할 수 있다. 그 이후로 뚜렷하게 감소하는 경향을 관찰할 수 있다. 대역통과가 기준치에서 30% 감소한 곳, 즉 약 0.7의 크기를 가져서 에너지가 1/2이 되는 지점을 3dB 기준으로 대역폭(bandwidth)을 잡으면 약 10kHz임을 확인할 수 있었다. 따라서 이 회로는 약 10kHz의 대역폭을 갖는 band pass filter로 생각할 수 있다.(2) 회로 이득과정V _{i`n}V_outA_v610mV1.27V127720mV2.46V123과정 6에서 가장 처음 측정한 1kHz에서 Vin을 10mV(20mVp-p)로 하였을 때 1.27V라는 값을 얻을 수 있었다. 이후 과정 7에서 신호 발생기의 입력 신호를 20mV(40mVp-p)로 공급하였을 때 2.46V를 얻었고 Vout/Vin으로 전압이득을 구해보면 두 경우에 거의 비슷하게 나온다는 사실을 확인할 수 있었다.? 결과분석KA2201를 주파수를 기준으로 동작영역을 정하면 위의 실험과 같이 3dB Bandwidth를 기준으로 (20Hz)~10kHz라고 할 수 있다. 하지만 실험을 통해 구한 데이터로 보데 플롯을 그려보면 그래프가 동작영역에서 항상 일정하게 나오지 않는다. 이는 이론적인 것과 다르게 실제로는 전달함수를 몇 가지로 분리한 다음 각각 플롯한 다음 합쳐서 그린다. 이 때문에 우리가 전자회로 과목에서 이상적인 상황을 가정하는 것, Approximation을 통해 구하는 것과 실제 수치가 차이가 생기는 것이다.7. 토의 및 질문(1) 개별 트랜지스터로 된 회로와 IC 회로의 차이는 무엇인가?- IC 회로는 단순히 작은 부피 속에 몇 개의 트랜지스터로 구성된 회로가 아닌, 한 개의 트랜지스터의 부피 속에 독특한 배선을 통해 능동 소자와 수동 소자를 결합한 완전한 회로이다. IC 속의 소자는 단지 미세 회로를 통해 연결된 분리 소자라기보다는 초소형 사진 기술을 이용하여 한 개의 핀보다 작은 실리콘칩 위에 구성된 완전한 회로이다.

공학/기술| 2020.04.02| 5페이지| 5,000원| 조회(214)

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푸시-풀 증폭기 결과보고서

실험19. 푸시-풀 증폭기[결과보고서]제 출 일학 과과 목담당교수이 름이 름학 번학 번1. 실험 목적1. B급 동작을 정의한다.2. B급 푸시-풀 상보대칭 음성 증폭기 동작을 관찰한다3. 이 증폭기에서의 직류 바이어스, 전류 및 파형을 관찰한다.2. 기초 이론? B급 동작A급 동작은 트랜지스터가 항상 켜져 있는 상태에서 신호를 공급하는 형태의 동작이다. 이 동작은 선형성이 보장되어 왜곡이 일어나진 않지만 항상 0보다 큰 전류가 흐르므로 평균전력이 높다는 단점이 있다. 따라서 고전력 회로에서는 평균이 0이 되는 B급 동작이 알맞다. 그러나 이 동작에서는 트랜지스터 게이트 전압이 0.7이 이하가 될 때, 트랜지스터가 꺼짐에 따라 왜곡이 발생한다. 따라서 A의 선형성과 B의 효율성을 조합한 중간 성질을 가지는 AB급 동작을 사용하게 된다.? 상보-대칭 증폭기(단일전원)푸시-풀 증폭기에서는 NPN과 PNP 트랜지스터를 이용하여 신호가 양일 때와 음일 때 각각의 트랜지스터가 활성화되어 선형적으로 작동하도록 하였다. Vcc로 먼저 두 트랜지스터를 바이어스 시켜줌에 따라 신호가 0일 때에도 두 트랜지스터가 바이어스 되어있다. 회로가 대칭이므로 C와 D점은 Vcc의 절반값이 되며, C2를 지나면 DC값이 0인 출력을 얻을 수 있다.3. 실험 부품 및 장비- 전원: 전원 공급기, 정현파 신호 발생기- 장비: 2-채널 오실로스코프, 디지털 전압미터- 저항: 5OMEGA, 100OMEGA 2개, 1kOMEGA 3개, 1.2kOMEGA, 4.7kOMEGA 2개, 10kOMEGA, 500OMEGA 가변저항- 커패시터: 0.002uF, 25uF, 100uF 4개- 반도체: 2N3904, 2N2102, 2N40364. 실험 방법? 상보 대칭 증폭기(1) 위와 같은 회로를 접속한다. S1을 개방하고 Rin이 최소 출력이 되도록 조정한다. 정현파 신호 발생기의 출력을 1kHz, 100mVpp가 되도록 조정한다. 이때 Vcc는 0V이다.(2) S1을 닫는다. Vcc의 출력을 서서히 증가시켜서 전류계 M1이 2~3mA값이 나오도록 한다. 이때 Vcc를 측정한다.(3) Rl 양단에 오실로스코프를 연결하고 일그러짐 없는 최대 신호를 얻기 위해 Rin을 증가시킨다.(4) 최대 신호에서 Vcc와 시험점에서 직류전압 그리고 Q2, Q3에 흐르는 전류 Ic2, Ic3를 측정하여 기록한다.(5) 그때의 시험점에서 신호 전압의 Vpp를 측정하여 기록한다.(6) 정현파 신호를 제거한 후 과정4를 반복한다.? 증폭기의 고장 진단(7) 정현파 신호 입력을 다시 인가한다. S1을 개방하고 커패시터 C4를 제거한다.(8) 과정 4, 5를 반복하고 이미터 커패시터를 제거함으로써 이전과 달라진 점에 대해 분석한다.(9) S1을 개방하고 이번에는 커패시터 C4를 원래대로 한 다음 저항 R8(100OMEGA)을 150OMEGA으로 대체한다.(10) 과정 4, 5를 반복하고 푸시-풀상태가 불균형일 때 영향에 대해 분석한다.(11) S1을 개방하고 이번에는 저항 R8을 원래대로 한 다음 트랜지스터 Q3를 제거한다.(12) 과정 4, 5를 반복하고 푸시-풀단에서 Q3를 제거하였을 때 영향에 대해 분석한다.(13) S1을 개방하고 이번에는 트랜지스터 Q3를 원래대로 한 다음 저항 Rl 양단을 단락시킨다.(14) 과정 4, 5를 반복한다.5. PSPICE 시뮬레이션그림 19-7회로Rin을 조절하여 아래와 같은 일그러짐 없는 출력을 얻었다.? 상보 대칭 증폭기시험점DC,V신호,Vpp,mV신호가 있을 때신호가 없을 때Vcc13.6513.6513.7783.77824.534211.2211.22215.49433.1513.1511.19846.8146.814219.14556.1976.197190.44967.4317.431187.90676.8416.841112.896800105.747Ic23.112mA3.112mAIc3-3.133mA-3.133mA? 증폭기의 고장 진단시험점C4 제거R8=150No Q3RL=0DC,VAC.mVDC,VAC.mVDC,VAC.mVDC,VAC.mV13.77825.443.77824.593.77824.953.77824.68211.221.25411.22194.9211.22303.9611.22165.6533.15125.223.1511.2023.1511.1793.1511.20946.8141.2496.875194.756.825303.996.814165.3656.1971.0946.026152.196.205276.356.197137.1367.4311.0677.441161.547.446276.137.431133.6376.8410.6186.749139.2113199.78n6.84157.76800.5670128.770194.43n00Ic23.112mA39.38mA03.112mAIc3-3.133mA-39.56mA0-3.133mAPSPICE 시뮬레이션의 결과와 실제 실험결과 값 사이에 조금의 차이는 있었지만 전체적으로 비슷한 경향을 보여주었다.6. 실험결과 및 분석먼저 CE 증폭기에서 입력 신호를 증폭해 주고, 이 증폭된 신호가 푸시풀 증폭기의 입력으로 들어가는 형태이다. 이때 시험점 1~8중 각 지점의 DC전압과 신호크기를 구하고 C4, R8, Q3, RL을 제거하거나 변경해가며 해당 소자들이 어떠한 역할을 하는지 알아본다.가장 처음에 해야할 것은 Vcc를 적당한 값으로 주어서 트랜지스터를 바이어스 시키는 것이다. 아이들링 전류가 2~3mA가 되게 하였고 조절하였을 때 대략 3.3mA정도 나왔다. Vcc를 조절하여 14.24V로 맞췄을 때 아래 사진과 같이 크로스오버 왜곡이 없는 파형이 발생하였다.? 상보 대칭 증폭기시험점DC,V신호,Vpp,mV신호가 있을 때신호가 없을 때Vcc14.2414.24x13.913.9143.6211.6511.6517633.263.261447.097.0917656.716.713267.667.6614477.127.124480088Ic23.3mA3.3mAIc3-3.2mA-3.2mA신호가 없을 때 DC값을 측정함으로써, 각 트랜지스터의 동작 영역으로 바이어스 되어 있는가를 확인 할 수 있다.각 트랜지스터의 collector 전압이 base 전압보다 높으므로, 액티브 모드이다.또한, 전체 전류 Ic2와 Ic3가 비슷함을 보아, 전류가 다른 길로 새지 않고 제대로 흐름을 확인 할 수 있다.이론적으로, 인풋 신호가 Q1에 의해 증폭되고(common emitter mode) 이때 증폭비는 gmRd로 매우 크다. Q2와 Q3는 이미터 팔로워로써, 전압 이득비는 1에 가깝지만, 전류 이득은beta 배로 매우 크다. 따라서 푸시-풀 증폭기는 이러한 성질을 이용하여 큰 전류가 필요할 때(소비 전력이 매우 클 때)사용하게 된다.? 증폭기의 고장 진단시험점C4 제거R8=150No Q3RL=0DC,VAC.mVDC,VAC.mVDC,VAC.mVDC,VAC.mV13.9145.63.92483.92483.8948211.6515.211.6510411.6532811.579633.2646.43.26163.26163.232447.0912.47.36967.093287.4812056.7114.46.72246.452966.848067.6612.07.47327.742968.019677.1214.06.72169.62167.37568020.0024016016Ic23.3mA22.6mA03.3mAIc3-3.2mA-22.7mA0-3.2mAC4 제거C4를 제거하게 되면, 전체적인 DC바이어스엔 큰 영향이 없지만, AC신호에서는, Q1이미터에 직렬 연결된 4.7k옴짜리 저항에 전류가 흐르면서, Q1의 증폭비가 매우 작아질 것임을 예측해볼 수 있다. 실제 실험 값을 비교해보면, DC값은 대체로 변화가 없었지만, 증폭비가 176/43.6=4.04 에서, 15.2/45.6=0.33으로 크게 줄어듦을 확인할 수 있다.또한 시험점 5, 6, 7의 AC 값이 비슷한 것을 확인함으로써, 푸시-풀 증폭기가 제대로 동작함을 확인 할 수 있다.R8=150ΩR8를 150Ω으로 바꾸면, Q3가 매우 큰 값으로 바이어스 되어 계속 동작하는 상태에 있게 된다. 실험에서 전류가 증가하였음을 확인할 수 있다.Q3 제거Q3를 제거하면, Q3에 의한 풀 효과가 없어지고, 결국엔 Q2에 의한 신호만 output으로 나올 것이다. 출력 자체가 노이즈로 나왔다.RL 제거RL을 제거하면 출력단이 접지되므로 출력이 C6 앞에서만 나타난다.7. 토의 및 질문(1) A급과 B급 푸시-풀 증폭기의 동작상 차이점을 설명하라A급은 트랜지스터가 항상 켜져있으므로 신호가 0보다크다. 따라서 선형성이 보장되지만 전력소모가 커 전력효율이 떨어진다. 반면에 B급은 트랜지스터의 게이트 전압이 일정 전압 이하일 때 꺼지므로 크로스 오버 왜곡이 발생 할 가능성이 있지만 평균 전력소모가 적어 전력효율이 좋다.(2) 그림 19-7의 실험에서, 신호가 없을 때 Q2의 베이스 이미터 바이어스는 무엇인가? 이것이 순방향 바이어스인가 아니면 역방향 바이어스인가? 설명하라.Q2의 Vbe는 V6-V7 = 7.66-7.12 = 0.54V 순방향 바이어스이다. 이번에 사용한 소자는 2N2102이므로 NPN 트랜지스터이고 위쪽부터 콜렉터, 왼쪽 베이스, 아래쪽에 이미터가 위치한다. 따라서 V6는 베이스의 전위 V7은 이미터의 전위이므로 V6-V7은 Vbe이고 양의 값을 가지므로 순방향 바이어스라고 할 수 있다.(3) 그림 19-7의 실험에서, 신호가 없을 때 Q3의 베이스 이미터 바이어스는 무엇인가? 이것이 순방향 바이어스인가 아니면 역방향 바이어스인가? 설명하라.

공학/기술| 2020.04.02| 7페이지| 5,000원| 조회(260)

전자, 증폭기, 레포트, 실험, 회로, 풀, pspice, 예비, 결과, 푸시

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비선형연산증폭기 결과보고서

실험21. 비선형 연산 증폭기 회로와 능동필터[결과보고서]제 출 일학 과과 목담당교수이 름이 름학 번학 번1. 실험 목적1) 비교기(comparator)의 동작 원리를 이해한다.2) 능동 반파 정류기(active half-wave rectifier)의 출력을 살펴본다.3) 능동 피크 검출기(active peak detector)의 출력값을 측정한다.4) 리미터(limiter)를 이용하여 출력 크기(수준)를 제어한다.5) 능동 필터 중 저역 통과 필터와 고역 통과 필터의 주파수 특성을 살펴본다.2. 기초 이론? 비교기비교기는 연산 증폭기를 개방 루프로 사용하여 구현한다.V _{i`n`1}이V _{i`n`2} 보다 클 경우 전압차가 +가 되어 출력은 최대값이 된다. 반대의 경우 전압차가 -가 되어 출력이 최소값이 된다.? 능동 반파 정류기입력이 +일 경우 출력 또한 +가 되어 다이오드를 동작시킨다. 이 때 회로는 VF로 동작하여 출력단 저항에 +전압이 걸린다. 입력이 -이면 연산 증폭기 출력도 -가 되어 다이오드가 꺼지고 출력단에 전압이 걸리지 않는다.? 능동 피크 정류기입력 파형의 피크 값이 DC 출력 전압으로 나타나는 회로이다. 반파 정류기의 출력단에 커패시터를 연결한 회로이다. 입력이 최대일 때 커패시터에 전하가 충전되어 그 전압값을 유지하는 것이다. 커패시턴스가 너무 작으면 금방 방전이 되어 반파정류기와 같게 되고 반대로 너무 크면 전하가 충전되어도 전압이 증가하지 않는다. 따라서 적당한 크기의 커패시터가 필요하다.? 능동 정리미터V` _{i`n} >`V _{REF} 인 경우 연산 증폭기 출력이 -가 되어 다이오드가 동작한다. 따라서 최종 출력V _{out}이V _{REF} 로 제한된다. 반대의 경우 다이오드가 동작하지 않아 입력 전압이 그대로 출력된다. 이 때 출력 전압을 제한하고 싶으면V _{REF} 를 조정하면 된다.? 능동 필터전압 이득A`=` {V _{out`}} over {V _{i`n}},A _{dB} `=`20log`A로 정의한다.차단주파수는면 전압은{1} over {sqrt {2}}이 되는데 이 값이 약 0.707이다.dB 단위로는10log` {1} over {2} =-3dB 이 되는 순간이다.? 2차 저역 필터저주파 영역에서 커패시터는 개방 상태이므로 회로는 VF로 동작한다. 고주파 영역으로 넘어가면 커패시터의 영향을 받게 되어 전압 이득이 감소한다.차단주파수f _{c} `=`0.707/`2 pi RC? 2차 고역 필터저주파 영역에서 커패시터가 개방 상태이므로 전압 이득은 0이다. 고주파 영역에서 커패시터는 단락되므로 VF로 동작한다.차단주파수f _{c} `=`0.707/`2 pi RC3. 실험 부품 및 장비- 전원, 장비: Function generator, 오실로스코프, 디지털멀티미터, DC power supply- 저항: 1kOMEGA, 2.2kOMEGA, 10kOMEGA, 20kOMEGA, 가변저항 1kOMEGA- 다이오드: 1N914- LED: TIL221, TIL222 (적색, 녹색)- 연산증폭기: LM741 → UA741로 대체- 다이오드: 0.1uF4. 실험 방법? 비교기그림의 회로를 연결하고 Rin을 변화시키면서 LED의 상태를 관찰한다. 핀 3의 전압을 오실로스코프로 관찰하면서 가변저항을 조절하여 전압이 +100mV, -100mV일 때의 LED의 상태를 기록한다. 핀 2에 -5V전원을 연결하고 Rin을 조절하면서 LED의 색을 관찰하고 핀3의 전압을 기록한다.? 반파정류기그림의 회로를 연결하고 오실로스코프를 출력단 10kOMEGA 저항에 연결한다. 교류발생기의 주파수를 100Hz로 맞추고 오실로스코프 파형의 최대값이 1V가 되도록 한다. 입력 정현파의 피크값을 기록한다. 신호전압의 크기를 조절하여 피크 전압의 최대값이 100mV가 되도록 한 뒤 이때의 입력 피크 전압을 기록한다.? 피크검출기회로의 출력단에 100uF 커패시터를 연결한다. 교류발생기를 조절하여 오실로스코프 파형의 최대값이 1V가 되도록 한다. 이 때의 DC 출력 전압을 측정하고 기록한다. 다시 교류발생기를 조절류발생기의 출력 피크 전압을 1V로 조정한다. 가변저항을 조절하며 출력파형을 관찰한다. 교류발생기 출력 피크 전압을 100mV로 조정하고 반복한다.? 2차 저역 필터그림의 회로를 연결하고 교류발생기의 주파수를 100Hz로 맞추고 오실로스코프 파형의 최대값이 1V가 되도록 한다. 입력전압의 Vpp를 측정하고 기록한다. 표에 있는 다른 주파수에서의 입력 전압과 출력 전압을 측정 기록한다. 측정된 차단 주파수를 기록한다.? 2차 고역 필터그림의 회로를 연결하고 교류발생기의 주파수를 10kHz로 맞추고 오실로스코프 파형의 최대값이 1V가 되도록 한다. 교류발생기의 주파수를 5kHz로 맞추고 입력전압의 Vpp를 측정하고 기록한다. 표에 있는 다른 주파수에서의 입력 전압과 출력 전압을 측정 기록한다. 측정된 차단 주파수를 기록한다.5. PSPICE 시뮬레이션? 비교기핀3의 전압이 105mV일 때, 왼쪽 다이오드(녹색LED)가 켜진다.핀3의 전압이 -105mV일 때, 오른쪽 다이오드(적색LED)가 켜진다.핀2에 -5V를 연결했을 때, 핀 3에 -5V를 기준으로 LED색이 바뀐다. -5V 이상에서 왼쪽 다이오드(녹색LED)가 켜진다.핀2에 -5V를 연결했을 때, 핀 3에 -5V를 기준으로 LED색이 바뀐다. -5V 미만에서 오른쪽 다이오드(적색LED)가 켜진다.? 반파정류기1) Vp=100mV2) Vp=1V시뮬레이션 결과 Vp=100mV일 때 출력 첨두치는 101.5mVpp이고, Vp=1V일 때 출력 첨두치는 1.001Vpp이다. 출력전압의 첨두치가 입력전압의 피크값과 비슷하게 측정되었다. 피크값은 첨두치의 절반에 해당되므로 시뮬레이션을 통해 반파로 정류된 결과를 확인할 수 있다. 즉, 입력이 정전압일 경우 다이오드가 동작하며, 부전압일 경우 다이오드가 차단되는 동작을 통해 반파 정류기로 동작하는 것을 확인할 수 있다.? 피크검출기1) Vp=1V2) Vp=100mV시뮬레이션 결과 Vp=1V일 때 출력전압은 1.016Vdc이고, Vp=100mV일 때 출력전압은 100.603m이유는 회로 구성을 반파 정류기에 캐패시터를 추가했던 것에서 알 수 있듯이, 입력의 반주기 동안은 캐패시터가 충전되고, 다른 반주기 동안은 회로가 다이오드에 의해 끊어지는 정류역할을 했기 때문이다.? 리미터1) Vp=1V2) Vp=100mV시뮬레이션을 통해 양의 전압이 리미트된 출력파형을 얻을 수 있었다. 먼저 입력이 V_REF보다 큰 전압이 들어올 경우 연산 증폭기 출력은 부가되어 다이오드가 동작하게 된다. 따라서 최종 불력 V_out 이 V_REF로 제한된다. 반대로 입력이 V_REF보다 작은 전압이 들어올 경우 다이오드가 동작하지 않아 입력 전압이 그대로 출력되는데, 출력 제한 전압 크기를 조절하려면 V_REF를 조정하면 된다.? 2차 저역 필터f(Hz)Vin (V)Vout (V)AA(dB)fc10021.9991.000-0.0041.125kHz20021.9970.999-0.01350021.9620.981-0.1671k21.55460.777-2.1882k20.6060.303-10.3715k20.1010.051-25.93410k20.0260.013-37.721출력 그래프는 AC sweep을 통해 주파수를 100Hz부터 10kHz까지 변화시킨 것이다. 저역 통과 필터라는 이름은 출력 그래프에서 볼 수 있듯이 주파수가 낮은 영역의 AC입력을 통과시키고 주파수가 큰 영역의 AC입력을 차단시킨다. 이러한 결과가 나오는 이유는 캐패시터의 임피던스가 1/j2πfc로 f가 커지면서 임피던스가 0에 가까워지기 때문이다.차단주파수f _{c} 는 회로의 전압 이득을 0.707로 만드는 주파수이므로,Vout/Vin=`Vout/2=0.707`를 이용해 Vout=1.414V가 될 때의 주파수를 그래프에서 찾을 수 있었다. 이 때의 주파수는 1.125kHz이다.? 2차 고역 필터f(Hz)Vin (V)Vout (V)AA(dB)fc10020.0150.008-42.4991.129kHz20020.080.040-27.95950020.3840.192-14.3341k21.2340.617-4.19해 주파수를 100Hz부터 10kHz까지 변화시킨 것이다. 고역 통과 필터라는 이름은 출력 그래프에서 볼 수 있듯이 주파수가 높은 영역의 AC입력을 통과시키고 주파수가 낮은 영역의 AC입력을 차단시키는 데서 온 것이다. 이러한 결과가 나오는 이유는 캐패시터의 임피던스가 1/j2πfc로 f가 커지면서 임피던스가 0에 가까워지기 때문이다.차단주파수f _{c} 는 회로의 전압 이득을 0.707로 만드는 주파수이므로,Vout/Vin=`Vout/2=0.707`를 이용해 Vout=1.414V가 될 때의 주파수를 그래프에서 찾을 수 있었다. 이 때의 주파수는 1.129kHz이다.6. 실험결과 및 분석? 비교기색(과정3)색(과정4)전압크로스오버(과정6)녹색적색-5V핀3의 전압이 110mV일 때, 녹색 LED가 켜지고, -114mV일 때 적색 LED가 켜진다. 핀2에 -5V를 연결해 주면, 핀3에 -5V가 걸릴 때 LED의 색이 변한다. 핀 2가 접지 상태일 때는 LED의 색이 변하는 시점에 핀3의 전압은 0V였으며, 핀 2가 -5V 전원에 연결되었을 때는 핀3의 전압이 -5V일 때 LED의 색이 변하였다. 이는 핀 2에 -5V 전원을 연결해준 것이 연산기를 통해 핀 3의 전압에 +5V를 가해주는 효과를 가져오기 때문이다.? 반파정류기Vp (과정9)Vp (과정10)1.10Vpp112mVpp반파 정류기는 입력이 정전압일 경우 다이오드가 동작하며, 부전압일 경우 다이오드가 차단되는 동작을 통해 반파 정류기로 동작한다. 오실로스코프를 이용한 첨두치 결과값을 확인하면 출력 전압의 첨두치가 입력 전압의 첨두치의 절반에 해당되므로 반파로 정류된 결과를 확인할 수 있다.이 때 노이즈의 영향이 적은 과정 9의 결과를 보면 Pspice와는 달리 같은 출력에 대해 더 큰 입력을 필요로 하는 것을 볼 수 있다. 이는 부귀환의 효과로, 이번 실험에서 사용한 회로는 부귀환 회로의 이득A _{V} `=`A _{o} `/`(1+KA _{0} )에서 K=1이므로A _{V} `=`A _{o} `/`(1+A}

공학/기술| 2020.04.02| 15페이지| 5,000원| 조회(231)

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종속 트랜지스터 증폭기 결과보고서

실험17. 종속 트랜지스터 증폭기[결과보고서]제 출 일학 과과 목담당교수이 름이 름학 번학 번1. 실험 목적(1) RC 결합된 2단 증폭기의 선형 동작 범위를 결정한다.(2) 증폭기 각 단에서 입력과 출력의 위상 관계를 관찰한다.2. 기초 이론제1 증폭 단의 출력 신호가 제2 증폭 단의 입력 신호가 되도록 두 증폭기를 접속하였을 때, 이 증폭기를 종속(cascode)되었다고 한다, 단일 증폭 단을 가지고 이득을 가능한 한 증가시키기 위해서 증폭기를 종속 접속으로 동작시킨다.가장 흔한 종속 접속 배열은 소스 공통 대 소스 공통 방식이다. 잘 알려진 바와 같이 소스 공통 증폭기는 높은 전압 이득, 전류 이득 그리고 전력 이득을 갖는다. 소스 공통 증폭기는 음성 재생 시스템에서 음성 증폭기로, TV 수신기에서 영상 증폭기로, 또 많은 다른 응용 분야에서 증폭기로 사용된다.? 결합 방법◎변성기 결합변성기는 결합 증폭기단에서 자주 사용된다. 변성기는 제1단의 출력 임피던스와 다음 단의 입력 임피던스를 정합시키는 것이 가능하다. 적절한 임피던스 정합은 한 증폭 단으로부터 다음 증폭 단으로 최대 전력 전달을 보장한다. 그림 17-1은 변성기 결합을 사용한 2단 트랜지스터 증폭기 회로를 나타낸 것이다. 입력 신호는T_{1}에 의해Q _{1}의 게이트에 결합되고C_{1}은 변성기T_{1}의 2차 측을 직류 바이어스 회로로부터 절연하기 위해서 사용된다. 게이트 바이어스와 바이어스 안정화는R _{1}과R _{2}로 구성되는 분압 회로와 소스 저항R _{3}에 의해서 얻어진다.C _{2}는 입력 신호의 감소를 방지하기 위해서R _{3}을 바이패스시킨다.T _{2}는 트랜지스터Q _{1}의 출력 신호를Q _{2}의 게이트 회로에 결합한다.Q _{1}의 회로에서C _{3},C _{4},R _{4},R _{5} 및R _{6}은 각각Q _{1} 회로에서C_{1},C _{2},R _{1},R _{2} 및R _{3}과 동일한 기능을 갖는다. 이와같이Q _{1}에서 증폭된 출력이Q _{2}로 입력되어 추가의 증폭이 일어난다.◎RC 결합그림 17-2는 RC 결합된 종속 증폭기를 나타낸다. 캐패시터C_{1}과C _{3}은 각각 신호를Q _{1}과Q _{2}와 결합시킨다.C _{5}는Q _{2}로부터 나오는 신호를 부하에 결합시키기 위해서 사용된다. 증폭 단Q _{1},Q _{2}에 있는 다른 소자들의 기능은 그림 15-1의 변성기 결합 증폭기에서와 같다. 결합 증폭기의 해석에는 복잡한 인자들이 나타난다. 제2 증폭 단의 추가는 제1단의 특성을 변화시킬 수 있으며, 따라서 제2단에 입력되는 신호 레벨을 변화시킨다. 예를 들면, 그림 2에서C _{3}를 개방한다면,R _{4}는Q _{1}에 대해 교류 부하 및 직류 부하로서 동시에 작용할 것이다.C _{3}이 그림에서와같이 결합되어 있으면,R _{4}는 더Q _{1}의 교류 부하가 될 수 없다. 대신 이제 교류 부하는R _{4},R _{5},R _{6} 및Q _{2}의 입력 임피던스의 병렬 합성으로 구성된다. 그러므로 교류 부하 저항R _{l}값은R _{4}보다 더 작은 값이다. 여기서C _{3}의 리액턴스는 입력 신호 주파수에서 무시할 정도로 작으며, 또 전지V _{cc}는 AC 신호에 대해서 매우 낮은 임피던스를 나타낸다고 가정하였다. 즉,V _{cc}는 교류 신호에 대해서 단락 회로로 작용한다.Q _{1}의 드레인에서 발생된 신호 전압은i_{D} BULLETR _{ L}과 같다. 교류 부하 저항값의 감소는Q _{1}의 드레인에서 신호 전압V _{1out}이다. 그러므로Q _{1}의 교류 부하 저항은 종속 증폭기의 RC 결합과 변성기 결합의 조합이 효과적으로 사용될 수 있을 것이다. 그림 17-3은 이 방식의 트랜지스터 증폭기 회로를 나타낸다.Q _{1}은Q _{2}에 RC 결합되고Q _{2}는 부하에 변성기 결합되어 있다.◎직결합직결합(direct coupling) 방식 또한 종속 트랜지스터 증폭기에 사용된다. 직결합의 장점은 소요 부품의 절약과 주파수 응답의 개선이다. 그림 17-4는 직결합 2단 증폭기의 회로를 나타낸다.Q _{1}의 바이어스와 바이어스 안정화는 종전과 같다.Q _{2}의 바이어스는Q _{1}의 드레인 전압과Q _{2}의 소스 전압에 의해서 결정된다.R _{4},R _{5} 및Q _{1}의 동작점의 값들은Q _{1}의 드레인이Q _{2}의 소스에 대해서 정이 되도록 선택해야 한다.? 선형 동작두 개 이상의 증폭기가 종속될 때, 증폭기 전체의 특성은 응용에서 요구하는 조건을 만족하게 해야 한다. 예를 들면, 두 개 이상의 트랜지스터가 종속된 증폭기가 음성 증폭기를 구성하는 경우, 소리를 일그러짐 없이 재생하기 위해서는 증폭기는 선형 특성 영역에서 동작해야 한다.선형 동작을 시험하기 위해서 오실로스코프를 사용하며, 음성 정현파 발생기가 신호원으로 사용된다. 증폭기의 출력은 오실로스코프에 의해서 모니터 된다. 선형 동작 범위를 결정하기 위해서 입력 신호 레벨을 0에서부터 출력의 일그러짐이 일어나기 직전까지 증가시킨다. 이와 같이 하여 일그러짐이 발생하지 않는 발생기의 최대 출력이 결정되고 측정될 수 있다.3. 실험 부품 및 장비- 전원: 가변 직류 정전압 원- 장비: 오실로스코프, 디지털 멀티 미터, 0~25mA 직류 밀리 전류계, AF 발생기- 저항: 5.1k OMEGA , 10k OMEGA , 47k OMEGA , 100k OMEGA1/2W 2개씩, 가변 저항 1개- 트랜지스터: 2N7000 2개- 캐패시터: 22mu F , 100mu F 50V 캐패시터 2개4. 실험 방법(1) 그림 4와 같이 회로를 접속한다. 신호원으로 AF 발생기를 사용하고 그것의 출력을 1kHz에서 최소로 되게 조정한다.S _{1}을 개방하고,S _{2}를 닫는다.R _{1}을 최소로 조정한다.M_{1}은 회로의 총 직류 전류를 측정하기 위해서 접속한 밀리 전류계이다.(2) 전원의 출력을 9V로 조정한다. 스위치S _{1}을 닫는다. 실험 동안 직류 공급 전압을 모니터하여, 그것의 출력을 실험 내내 9V로 유지한다.(3) 오실로스코프를R _{1}의 점 C에 접속하고, 신호 발생기의 출력을 50mV로 조정한다. 이제 오실로스코프를Q _{2}의 드레인에 접속한다. 정현파의 일그러짐이 시작되기 직전까지R _{1}을 서서히 조정한다. 이것이 증폭기가 일그러짐 없이 증폭할 수 있는 최대 입력 신호이다.(4) 그림 4에 주어진 모든 시험 점에서 신호 전압의 피크-피크값을 측정하여 표17-1에 기록한다. 또한 모든 시험 점에서의 직류 전압과 총전류I _{T}를 측정하고 기록한다.? 시험 점 1(TP1)에서 신호 전압 측정(5) 회로에서R _{1}을 제거한다.R _{1}의 조정된 저항값을 변경시키지 않는다. 점 C와 점 B 사이의 저항값을 측정하고, 그것을 표에 기록한다.V _{in } = {R _{CB}} over {R _{AB}} TIMES 50mV(6) 입력 신호 없이(R _{1}이 제거된 상태에서) 총 전류I _{T}를 측정, 기록한다.R _{1}을 다시 회로에 삽입한다.S _{2}(7) 를 개방하여, 증폭 단 1의 출력을 증폭 단 2의 입력으로부터 분리한다. 다시 모든 시험 점에서 신호 전압의 피크-피크값과 직류 전압을 측정해서 기록한다.5. PSPICE 시뮬레이션? S2 닫았을 때위 그래프가 시험점에서의 출력 그래프이다. 각 MOS에 대하여 게이트와 드레인은 역상인 것을 확인할 수 있으며, 소스의 경우 90도의 차이가 보인다.드레인게이트소스게이트 - 드레인의 상(왼쪽)이 180도 차이가 나고, 게이트 ? 소스의 상이 90도 차이가 나는 것을 좀 더 자세히 확인하였다.Pspice 시뮬레이션을 통해 다음과 같은 사항을 확인할 수 있었다.1. S2스위치를 닫았을 때 Q1의 이득이 줄어드는 것2. 캐패시터에 의한 AC신호의 차단3. AC신호와 직류전압은 관계가 없다는 것4. 게이트-드레인(180도), 게이트-소스(90도) 사이의 위상차이 등이 있다.5. Q1의 게이트와 Q2의 드레인의 경우 180도 차이가 두번 일어나 같은 위상을 갖게 된다는 것6. 스위치를 닫은 경우 Q2의 드레인이 아랫쪽으로 조금 더 볼록한 것? S2 열었을 때스위치 S2를 open한 경우에는 실험점 4,5,6에서 교류신호가 거의 검출되지 않는다.? 시뮬레이션 결과시험점신호, Vp-p (V)직류, V (V)ITS2 닫음S2 엶S2 닫음S2 엶신호0신호X20.07860.10056.9086.908544.9uA544.9uA3001.0671.06740.078602.8782.878RcbRab54.116606.9086.90815Ω500Ω60.000201.0661.06610.0020.00192.8782.8786. 실험결과 및 분석표 17-1시험점신호, Vp-p직류, VITS2 닫음S2 엶S2 닫음S2 엶신호0신호X2264mV308mV7.35V7.35V426uA431uA330.4mV23mV0.80V0.80V4262mV21mV2.84V2.84VRcbRab54V45mV7.34V7.35V123Ω510Ω620.8mV20mV0.83V0.81V140mV42mV2.84V2.84V실험을 통해 1번, 3번, 6번 지점에서는 바이패스 되어 전압의 크기가 매우 작게 나타났다. 또한, 노이즈로 인해 신호도 제대로 검출되지 않았다. 5번 신호의 형태를 보면 아랫부분이 조금 볼록하게 보이는 데 그 이유는 증폭된 신호를 한번 더 증폭시키면서 증폭도가 제곱이 되기 때문이다. S2를 열었을 때 신호가 두 번째 단에는 전달되지 않으므로 노이즈 신호만이 감지되었고 Q1의 드레인 2번 시험점에서 보았을 때 스위치를 열었을 때 Q1의 공통이득은 1.16배 증가함을 알 수 있었다. 공통소스 이득은 gm*Rout으로 계산되는데, 스위치가 닫히면서 R6, R7 저항이 병렬로 연결되면서 10kΩ의 저항이 7.62kΩ으로 줄어듦을 알 수 있다. 따라서 스위치를 열면 전압이득도 1.3배 되는 것을 알 수 있다.

공학/기술| 2020.04.02| 9페이지| 5,000원| 조회(255)

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차동증폭기 예비보고서

실험15. 차동 증폭기[예비보고서]제 출 일학 과과 목담당교수이 름이 름학 번학 번1. 실험 목적1. 단일 입력에서 차동 증폭기의 출력 파형을 관찰하고, 입력 파형에 대한 출력 파형의 위상을 알아본다.2. 위상이 반대인 두 입력 신호(차동 모드)가 가해질 때, 차동 증폭기의 출력 파형을 관찰하고, 입력에 대한 출력의 위상을 알아본다.3. 위상이 같은 두 신호(공통 모드)가 입력에 가해질 때 차동 증폭기의 출력 파형을 관찰하고, 입출력 위상 관계를 알아본다.2. 기초 이론? 기본적인 차동 증폭기기본적인 차동 증폭기는 두 개의 입력과 하나의 출력을 가지며 두 개의 트랜지스터로 구성된다. 이 회로는 대칭적이다. 즉 두 개의 트랜지스터Q _{1}과Q _{2}는 서로 동일한 특성을 갖고, 이미터저항(R _{E})는 두 트랜지스터에 공통으로 연결된다. 컬렉터 부하 저항R _{L1} =R _{L2}이며, 두 입력회로 역시 동일하므로V _{1} =V _{2}이고,R _{1} =R _{2}이다. 출력신호(V _{out})는 두 입력신호의 차에 비례하므로, 트랜지스터의 이득이A일 때,V _{out} =A(V _{1} -V _{2} )로 나타낼 수 있다.두 입력신호의 위상이 동상이고 크기가 같을 때, 공통모드 동작 조건은V _{1} -V _{2} =0,V _{out} =A(0)=0이다. 즉, 공통 모드에서 차동증폭기는 신호를 받아들이지 않고, 출력은 0이다. 그러나 실제로는 차동 증폭기가 완전한 평형상태가 되지 않기 때문에, 공통 모드신호에 대해서 매우 작은 출력이 존재한다.두 입력신호의 크기가 같고, 180˚의 위상차를 가질 때, 차동모드 동작조건은V _{1} =-V _{2} 또는V _{2} =-V _{1},V _{out} =A[V _{1} -(-V _{1} )]=A(2V _{1} )이다. 따라서 차동모드 또는 비공통 모드에서 차동 증폭기는 입력신호를 증폭하고 출력은 입력신호에 이득의 2배를 곱한 값이 된다.? 단일 입력극성을 갖는 정현파V _{1}을 입력1에 가해주면,Q _{2}의 컬렉터와 접지 사이에 나타나는 증폭된 신호V _{out1}은 입력과 180˚의 위상차를 갖게 된다. 이미터저항(R _{E})는 바이패스 되지 않았기 때문에R _{E}에 걸리는 전압은V _{1}과 동일한 위상을 갖는다.Q _{2}의 베이스는 접지에 연결되었기 때문에,Q _{2}의 게이트와 접지 간에는 신호전압이 없다. 그러나V _{2}는 실질적으로Q _{2}의 입력신호가 되고 컬렉터와 접지 사이에 정현파V _{out2}가 나타난다.V _{1}과V _{2}는 진폭이 같으므로 출력파의 진폭도 같으나 180˚의 위상차를 갖는다.? 차동 모드 입력차동 증폭기를 구성하고 있는Q _{1}과Q _{2} 트랜지스터는 중간 탭 된 변압기 2차측의 반대 끝단으로부터 정현파 입력을 받는다.Q _{1}과Q _{2}의 베이스에 인가하는 입력신호는 크기는 같고 위상차가 180˚되는 차동모드 동작조건을 갖게 된다. 양쪽의 트랜지스터에서 가해지는 신호의 위상이 반대이므로R _{E}에 걸리는 전압은 상쇄되어 마치 AC에 대해 바이패스된 것처럼 동작한다. 만약Q _{1}과Q _{2} 드레인 사이의 신호V _{out}이라고 하면,V _{out}은 정으로 진행하는 정현파이고, 그 크기는 드레인 신호 전압이다.? 공통 모드 입력변압기 2차측은Q _{1} ,`Q _{2} 게이트에 크기와 위상이 동일한 신호 전압을 공급하면,Q _{1}과Q _{2}의 게이트에 입력되는 동상의 신호는R _{E} 양단에 동상의 신호 전압을 발생시켜 합쳐진다. 합쳐진 신호의 위상은 게이트 신호의 위상과 같다. 이 때,R _{E}는 증폭기에 부귀환을 제공하며,Q _{1}과Q _{2}에 공통이므로 각 트랜지스터가 혼자 동작할 때 보다 부귀환 효과는 두 배이다. 그러므로 각 증폭기의 실효 입력 신호는 무시할 정도로 작고, 각 드레인의 출력도 무시할 정도이다. 이상적으로 출력은 0이지만, 실제로 0이 되지는 않는다.? 공통 모드 제거비(CMRR)차동 증폭기는 입력 신호에 대해 높은 이득을 가지고, 공통 모드 신호에 대해서는 매우 낮은 이득을 가져야 한다. 차동 모드 신호의 이득을A _{DM}이라고 하고 공통 모드 신호의 이득을A _{CM}이라고 할 때, 공통 모드 제거비CMRR=`A _{DM} ```/`A _{CM} 이다.? 바이패스 되지 않은 소스 저항이 차동 증폭기에 미치는 영향공통 모드 신호에서 바이패스 되지 않은 이미터저항R _{E}는 부귀환을 제공하므로,R _{E}가 클수록 공통모드에서 부귀환 전압은 높아지고, 공통 모드 신호를 제거한다. 차동모드에서는 바이패스처럼 작용하므로, 증폭기의 이득을 감소시키지 않는다. 그러므로 차동모드 이득에 영향을 안 미치며 공통모드이득을 최소로 할 수 있기 때문에 큰 값의R _{E}가 바람직하다.R _{E}가 전류I _{E} =`V _{EE} ``/R _{E}를 결정하므로 실제적으로R _{E}의 크기는 제한된다. 차동 증폭기에서 소스는 드레인 양단에 같은 전류를 공급하므로R _{E}를 증가시키면 소스와 드레인 전류가 감소한다.Q _{3}에 대한 DC 바이어스는Q _{1}과Q _{2}의 컬렉터 전류를 공급하는 이미터 전류I _{E}를 제한하지 않고 높은 값을 가지며,R _{E}는 비교적 작은 값을 가질 수 있다. 그러므로Q _{3}의 첨가는Q _{1}과Q _{2}의 드레인 전류를 제한하지 않고 높은 유효 소스 저항R _{S}를 보장한다.? 차동 증폭기 회로 기호IC 차동 증폭기는 그림과 같이 나타내는 게 편리하다. (a)는 두 개의 입력과 하나의 출력을 가지며, (b)는 두 개의 독립된 출력을 가진 두 입력 차동 증폭기의 회로 기호이다. (-), (+)기호는 각각 출력 3에 대한 반전, 비반전을 나타낸다.3. 실험 부품 및 장비- 전원: 가변 이중 직류 정전압원- 장비: 오실로스코프, 디지털 멀티미터- 저항: 1k OMEGA 2개, 3k OMEGA 2개, 10k OMEGA1/2W- 트랜지스터: 2N7000 2개- 2개의 SPST스위치, 변압기(1차 120V, 중간탭이 달린 2차 25V)4. 실험 방법? 단일 입력(1) 그림(a)의 회로를 구성하고, 1kHz 정현파를 변압기의 1차 측에 인가하여 차동증폭기의 전원으로 사용한다.V _{cc} `=`15V`,`V _{EE} =15V로 조정하고 스위치S _{1} `,`S _{2}를 닫는다.(2) 표 15-1에V _{C1} ,`V _{C2}를 기록한다. 두 소스 접점과 접지 사이의 전압(V _{S})를 측정하고 기록한다.Q _{1}의 바이어스 전압(V _{B1})과Q _{2}의 바이어스 전압(V _{B2})를 측정하고 기록한다.S _{3}(3) 를 닫고, 오실로스코프로 1kHz 입력 신호 전압(V _{1})을 측정한다.V _{1}이 50mV가 될 때까지 신호발생기의 출력을 조절하고, 신호 발생기의 출력 신호로 오실로스코프를 외부 트리거/동기(trigger/sync)시킨다.Q _{1}(4) 의 게이트에서 파형을 관찰한다. 화면에 하나 또는 두 개의 파형이 관측될 때까지 오실로스코프를 조정한다. 표 15-2에 주어진 기준파형에 맞춰V _{out1} ,`V _{out2} ,`V _{E}를 관찰, 측정, 기록하고 도시한다.(5) 스위치를 모두 개방하고 (b)와 같이 회로를 연결한다.(6) 스위치를 모두 닫고, (3)~(4) 과정을 반복한다.? 차동 모드(7) 스위치를 모두 개방하고, 그림의 회로를 구성한다.

공학/기술| 2020.04.02| 6페이지| 5,000원| 조회(265)

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