1. 목적(1) 최대 전력 손실 곡선을 그리는 방법을 익힌다.(2) 에미터 접지 증폭기의 부하선과 동작 전류로부터 동작점을 구한다.(3) 동작점에 따른 증폭기의 선형 동작 범위를 조사한다.2. 이론[고정 바이어스]위의 그림과 같이 전원전압(U)을 바이어스 저항(RB)로 낮추어 베이스 전류가 흐르도록 하는 방식을 고정 바이어스 회로라 한다. 이 방식은 회로가 간단하고, 바이어스 저항에 상당한 오차가 허용되며 회로 손실이 적다는 장점이 있다. 그러나 안정도가 낮다는 결점이 있다. 따라서 안정도와 충실도가 문제되지 않는 간단한 장치에 이용된다.바이어스 저항의 크기를 결정하는 데는 트랜지스터의 입력특성곡선이 이용된다. 이유는 입력특성곡선에 의해 베이스-이미터 전압(UBE)과 베이스 전류(IB)가 결정되기 때문이다.베이스 전류(IB)가 통과하는 바이어스 저항(RB) 값은 아래 조건을 만족하도록 결정되어야 한다.바이어스 저항(RB)에서의 전압강하에 의해 베이스-이미터 전압(UBE)이 결정된다. 베이스 전류(IB)가 아주 작기 때문에 바이어스 저항(RB) 값은 약 100㏀~500㏀ 정도에 이른다.[직류 전류 이득]스위칭 트랜지스터의 경우와 같이 대신호로 동작하는 트랜지스터의 특성을 주는 기본량의 하나로 이미터 공통형 트랜지스터에서의 순방향 전류 이득(전류 전달비)이다. 컬렉터 및 베이스 전류를 각각 IC, IB로 하면 hFE = IC/IB이다.[포화점과 차단점]+VCE-(a) (b)?포화점베이스 저항이 매우 작다면 컬렉터 전류는 대단히 커지고, 컬렉터-이미터 전압은 거의 0에 가깝게 된다. 이 경우 트랜지스터는 포화된다. 이는 컬렉터 전류가 허용 가능한 최대값까지 증가함을 의미한다.포화점은 그림 (b)에서 부하선과 컬렉터 곡선의 포화영영과 만나는 점이다. 포화 상태에서 컬렉터-이미터 전압이 매우 작기 때문에 포화점은 부하선의 거의 위쪽 끝에 놓인다. 그러므로 약간의 오차가 있더라도 포화점을 포화선의 위쪽 끝으로 근사화할 수 있다.포화점은 회로에서 허용 가능한 최대 컬렉터 전류를 의미한다. 예를 들어 그림 (a)에서 VCC가 15V이고 RC가 3㏀이라면 트랜지스터는 컬렉터 전류가 약 5㎃일 때 포화된다. 이 전류에서 VCE는 거의 0으로 감소한다.컬렉터와 이미터 사이를 가상 단락시키면 포화점에서의 전류를 쉽게 구할 수 있다. 이때 VCE는 0이 되므로 컬렉터 전원전압 VCC가 모두 RC 양단에 나타날 것이다. 따라서 컬렉터 전류는 IC=VCC/RC가 된다. 이 ‘가상 단락’방법은 어떠한 베이스-바이어스 회로에도 적용할 수 있다. 그러므로 베이스-바이어스 회로에서 포화전류에 대한 식은 다음과 같다,IC(sat)=VCC/RC?차단점차단점은 그림 (b)에서 부하선이 컬렉터 곡선의 차단영역과 교차하는 점이다. 차단영역에서 컬렉터 전류는 매우 작기 때문에 차단점은 부하선의 거의 아래쪽 끝에 만난다. 그러므로 차단점을 부하선의 아래쪽 끝으로 근사화할 수 있다.차단점은 회로에서 허용 가능한 최대 컬렉터-이미터 전압을 말한다. 그림 (a)의 트랜지스터를 컬렉터와 이미터 사이가 개방된 것으로 보면 간단하게 차단전압을 찾을 수 있다. 이 개방 조건에서 컬렉터 저항에 흐르는 전류는 없으므로 컬렉터 전원전압 VCC가 모두 컬렉터와 이미터 단자 사이에 나타날 것이다. 그러므로 컬렉터와 이미터 사이의 전압은 VCC가 된다. 그러므로 차단전압에 대한 식은 다음과 같다.VCE(cutoff) = VCC[정현파]정현파형 혹은 사인파는 교류전류와 교류전압을 표현하는 일반적인 형태로서 정현곡선파 또는 간단히 정현파라고 한다.전력회사가 일반 가정에 공급하는 전기는 정현곡선의 전압과 전류의 모양이다. 또한 다른 형태의 주기파형은 고조파라고 불리는 정현파 여러 개가 합성된 것이다.정현파는 회전하는 전기기기나 일반적으로 신호 발생기로 알려진 전자발진회로를 이용한 두 가지 방법으로 만들어진다.위의 그래프는 정현파의 일반적인 모양이며 이 정현파는 교류전류 또는 교류전압이 될 수 있다. 전압(전류)은 수직축에 표시하고 시간(t)은 수평축에 표시한다.정현파는 값이 0일 때를 기준으로 부호가 바뀐다. 정현파 전압원(Vs)이 위의 그래프와 같이 저항회로에 인가되면 시간에 대해 변하는 정현파 전류가 흐른다. 전압의 부호가 변하면 전류의 방향도 이에 대응하여 변하게 된다.(a) (b)인가된 전압 Vs가 양의 범위에서 변할 때 전류의 방향은 (a)와 같다.인가된 전압 Vs가 음의 범위에서 변할 때 전류의 방향은 (b)와 같다.양의 범위에서와 음의 범위에서의 전류 방향은 서로 반대 방향이고 이 두 개를 조합하면 정현파의 한 사이클이 만들어진다.B`W`BWR+VCE-+VBE_3. 설계위의 회로도와 같이 회로를 설계한다.Vcc에 (각 조*0.5+5V = 5.5V)를 인가한다.Ic(sat)에 (각 조*5mA+20mA = 25mA)로 잡고 (ICQ = Ic(sat)/2)를 구한다.ICQ를 이용해서 data sheet로부터 hFE를 구한다.구한 값들을 이용해서 (RC = Vcc/Ic(sat)), (IB = ICQ/hFE), {RB = (Vcc-VBE)/IB}를 구한다.RC와 RB를 저항 리스트와 비교해서 가장 가까운 값의 저항을 찾는다.4. 실험Vcc = 5.5V, Ic(sat) = 25mA, ICQ = 12.5mAdata sheet에 의해 hFE는 약 200이다. 즉 ?dc = 200이다.구한 값들과 적용한 값들을 이용하면 RC = 440Ω, IB = 62.5㎂, RB = 132.8㏀이다.RC와 RB를 저항 리스트와 비교하면 RC = 470Ω, RB = 120㏀이다.B`W`BWR+VCE-+VBE_1) R(+), B(-)에 Vcc = 5.5V만 인가한 후 DSO로 DC결합으로 평균치를 측정하여VBE, VCE를 측정한다.2) 1)의 상태에서 W`, B`(접지)에 Vin에 정현파 1㎑, 50㎷PP를 인가한다.
1. 목적1. 전류 귀환 bias 회로의 모양을 익힌다.2. 회로 구성 설계하는 방법을 익힌다.3. 주어진 값에 대해서 전압이득을 구하는 방법을 익힌다.2. 이론[전류 귀환을 이용한 안정회로]이미터 접지회로에서 출력인 컬렉터전류와입력 사이의 귀환은 이미터 저항에 의해서이루어진다. 그림과 같이 이미터저항을결선하면 입력신호가 공급되어 이미터 전류가흐를 때, RE의 양단에 전압이 발생하고, 이때발생된 전압은 입력신호전류와는 역방향으로이미터-베이스 사이에 공급되므로 신호전류가감소하게 된다.분압기 R1과 R2에 의해 베이스에는 고정된 양(+)전위가 인가되어 있다. U2가 UE0만큼 감소되었을 경우, 베이스-이미터 사이에 인가된 실제전압은 UBE = U2-UE0 이다.예를 들어 컬렉터 전류)가 증가하면, 이미터 저항에서의 전압도 상승한다. 분압기에 의해 고정된 전압이 일정하게 유지되기 때문에, UE0가 상승하면 베이스-이미터-전압을 낮추어야 한다. 그래야만 컬렉터 전류가 크게 상승하지 않고 거의 일정하게 유지된다.회로의 안정화는 이미터 저항의 저항값에 의해 결정된다. 일반적으로 ‘UE0 ? 0.2U’가 되도록 이미터 저항을 설정한다.그림과 같은 증폭회로를 교류전압으로 제어할 때, 교류전압의 변화에 따라 컬렉터 전류뿐만 아니라 이미터 저항에서도 전압강하가 이루어진다. 따라서 교류전압도 귀환되므로 증폭도가 크게 저하된다. 용량이 충분한 콘덴서를 이미터 저항과 병렬로 연결하면, 이 콘덴서가 이미터 저항에서의 전압강하를 단락시킨다.이렇게 되면 교류전압 증폭도는 다시 원래의 값으로 상승한다. 온도변화와 제품의 오차에 의해 발생되는 이미터 전압의 느린 변화가 발생되지 않게 되어, 회로의 안정을 기할 수 있게 된다.전류귀환 바이어스회로는 동작점을 안정화시킨다. 부하전류는 이미터 저항을 거쳐서 입력 측에 귀환되어, 입력전류에 영향을 미친다. 귀환으로 발생되는 증폭손실은 이미터-바이패스-콘덴서를 이미터 저항(RE)에 병렬로 연결하여 억제한다.[베이스 바이어스]베이스 바이어스는 가장 간단한 형태이다. 왜냐하면 한 개의 전원공급기와 저항을 사용하기 때문이다. 이것은 베이스 단자와 Vcc사이에 하나의 베이스 저항으로 구성되고 이미터 단자에는 저항이 없다. 그리고 특정한 베이스 전류값을 설정하도록 설계되었기 때문에 베이스 바이어스라 한다. 이것은 스위칭 응용을 만족하지만 일반적으로는 βDC때문에 선형회로에서는 만족하지 않는다. (Q점이 βDC에 따라 변화하므로 매우 불안정하기 때문이다.)이 바이어스 법은 디지털 회로나 스위칭 회로에 많이 사용되지만 트랜지스터의 전류이득이 콜렉터 전류와 온도 변화 및 트랜지스터의 종류에 따라 크게 변화하는 문제점이 있어 증폭기에는 사용되지 않는다.보통 트랜지스터의 변화는 베이스 바이어스된 회로의 작동점에 큰 영향을 미친다.[이미터 귀환 바이어스]Q점을 안정화시키기 위한 첫 번째 시도가 옆의 그림과 같은 이미터 귀환 바이어스였다. 이미터저항이 이 회로에 추가된 점에 주목하라. 이 회로의 기본적인 개념은 다음과 같다. 만일 IC가 증가하면, VE가 증가하여 VB를 증가시킨다. VB의 증가는 RB 양단전압이 낮아짐을 의미한다. 그 결과 IB가 감소하여 처음 IC의 증가 변화를 반대로 감소하게 된다. 이미터전압의 변화가 베이스 회로로 되돌아가기 때문에, 이런 현상을 귀환이라 한다. 그리고 컬렉터전류의 원래 증가를 반대로 감소시키므로 이러한 귀환을 부귀환이라 한다.이미터귀환 바이어스는 많이 쓰는 편은 아니다. 이 바이어스에서 Q점의 이동은 대량 생산되어야 하는 대부분의 응용에 사용하기에는 여전히 너무 크다.이미터 귀환 바이어스 해석에 필요한 식들은 다음과 같다.이미터 귀환 바이어스 회로는 고정된 Q점을 설정할 때 가장 나쁜 바이어스법이다. 베이스 전류가 고정되어 있으므로, 전류이득이 변화할 때 컬렉터전류도 변화한다. 이와 같은 회로에서 Q점은 트랜지스터 교체나 온도 변화에 따라 부하선 전체에 걸쳐 이동한다.IE = (VCC-VBE)/(RE+RB/?dc)VE = IEREVB = VE+0.7VVC = VCC-ICRC(a)는 이미터귀환 바이어스 회로의 예를 나타낸것이다. (b)는 부하선과 두 가지 다른 전류이득에대한 Q점을 나타낸 것이다. 보이는 것과 같이전류이득의 3:1 변화는 큰 컬렉터전류의 변화를일으킨다. 이 회로는 베이스 바이어스보다 훨씬좋은 것은 못 된다.이미터귀환 바이어스의 목적은 고질적인 문제인 ?dc의 변화를 제거시키는 데 있다. 즉 RE가 RB/?dc보다 훨씬 커야 한다. 이 조건이 만족된다면, 위의 식 중에서 IE는 ?dc의 변화에 무관할 수 있다. 그러나 실제회로에서 ?dc의 영향을 제거시키기 위해 RE를 충분히 크게 할 수 없다.그림 (a)는 컬렉터귀환 바이어스를 나타낸 것이다. 이 회로는 Q점을 안정화시키기 위한 또 다른 시도이다. 또한 기본적인 개념은 컬렉터전류의 변화를 없애주기 위해 베이스로 전압을 귀환시키는 것이다. 예를 들어 컬렉터전류가 증가한다고 가정하자. 이때 컬렉터전압이 감소하여 베이스저항 양단전압을 감소시킨다. 이는 베이스전류를 감소시켜서 처음 컬렉터전류의 증가를 반대로 감소시킨다. 이미터귀환 바이어스처럼 컬렉터귀환 바이어스는 원래의 컬렉터전류 변화를 감소시키기 위해 부귀환을 사용한다. 컬렉터귀환 바이어스 해석에 필요한 식들은 다음과 같다.[컬렉터 귀환 바이어스]IE = (VCC-VBE)/(RC+RB/?dc)VB = 0.7VRB = ?dcRCVC = VCC-ICRC보통 Q점은 부하선의 거의 중앙에 놓이게 하며. 이를 위한 베이스저항은 위의 식과 같다.(b)는 컬렉터귀환 바이어스의 예를 나타낸 것이다. (c)는 부하선과 두 가지 다른 전류이득에 대한 Q점을 나타낸 것이다. 보다시피 전류이득의 3:1 변화는 이미터귀환 때보다 컬렉터전류의 변화가 덜하다. Q점을 안정화시킴에 있어서 컬렉터귀환 바이어스가 이미터귀환 바이어스보다 좀 더 효과적이다. 이 회로가 여전히 전류이득의 변화에 민감한 편일지라도 회로의 간단성 때문에 실제로 이용된다.[컬렉터와 이미터귀환 바이어스]이미터귀환 바이어스와 컬렉터귀환 바이어스는 트랜지스터 회로가 좀 더 안정하게 하기 위한 첫 번째 단계였다. 부귀환의 개념이 좋더라도 이 회로들은 기능을 다하기 위해 부귀환이 충분하지 않으므로 미흡하다. 이 회로의 기본적인 개념은 회로 동작을 개선시키기 위해 이미터와 컬렉터귀환 두 가지를 이용하는 것이다. 두 형태의 귀환을 하나의 회로로 묶는 것은 유익하나 여전히 대량 생산에 요구되는 기능에는 미흡하다. 이 회로를 사용한다면 이 회로의 해석에 관한 식들은 다음과 같다.IE = (VCC-VBE)/(RE+RC+RB/?dc)VE = IEREVB = VE+0.7VVC = VCC-ICRC3. 설계W`B`BWR다음과 같은 회로도를 설계한다. 트랜지스터는 2SC1959를 사용한다.Vcc와 Ic(sat) 값을 설정한 후 공식에 대입하여 나머지 값들을 구한다.ICQ 값을 구한 후 hFE data sheet를 이용하여 hFE를 구한다.ICQ와 hFE를 이용하여 IBQ를 구한다. 이 값들을 이용하여 RC와 RE를 설계한다.R1과 R2는 테브난 정리를 이용하여 RB로 만든 후 RB를 구한다.위의 그림과 같이 테브난 정리를 이용하여 등가회로를 그릴 수 있다. 이때 Vth=VBB이고 Rth=RB이다. 안정도를 적용하여 RB를 구하고 이 값을 R1과 R2를 구하는 공식에 사용한다.설계를 마친 후 각 실험의 순서에 맞게 이론값과 측정값, 파형을 측정한다.4. 실험ICQ = Ic(sat)/2Rth = RB = (안정도?1)*REIBQ = Ic(sat)/hFEIB = ICQ/hFERC + RE = Vcc/Ic(sat)Vth = VBB = IB*RB+VBE+(IBQ+ICQ)REVE = 0.1*VccR1 = R2*Vcc*RB/(R2*VBB)RE = VE/IER2 = VBB*R1/(Vcc-VBB)RC = (RC+RE)-REAV = -Vout(pp)/Vin(pp)Rth = RB = R1*R2/(R1+R2)VC = VCC?ICQ*RCVth = VBB = R2*Vcc/(R1+R2)위의 표는 이번 실험에 사용되는 공식을 기록한 것이다. 이 공식들을 이용하여 설계값들을 구한다.1) VCC = 각 조*0.5V+9V로 설계하여 9.5V를 인가한다.2) Ic(sat) = 각 조 *5mA+10mA로 15mA를 인가한다.3) 1)과 2)에서 주어진 값으로 ICQ를 계산한다.4) 3)의 값을 data sheet에 적용하여 hFE를 구한다.(hFE = 150)5) 3)과 4)에서 구한 값으로 IBQ를 계산한다.6) 1) ~ 5) 의 값들을 이용하여 가상의 특성 곡선을 그린다.7) 안정도 S = 각 조+8로 설계하여 9로 잡는다.(RB = 8RE)8) RE, RC, R1, R2를 설계한다.9) C1, C2 = 22㎌로 설계한다.10) CE = 68㎌로 설계한다.11) VB, VE, VC, VBE, VCE의 측정값과 이론값을 구하여 표로 정리한다.(앞의 회로도 참고)-a) VB는 R2단자의 1번과 접지 사이의 전압을 측정하여 구한다.
1. 목적(1) 저항 2개 이상을 이용해서 직렬, 병렬, 직병렬 구성을 해보고 합성저항의 크기는 어떻게변화하는가를 확인한다.(2) 회로에 직류전압을 가했을 때 어떻게 분압 되며, 각 지로에 흐르는 전류는 어떻게분류되는가를 확인한다.(3) V = IR의 옴의 법칙이 성립하는가를 알아본다.2. 이론회로에 공급된 전압(V)DP 의해 도선의 저항(R)에는 전류(I)가 흐르게 되는데, 이때 옴의 법칙 I=V/R 가 실험에 의해 증명되며, V, I, R 중 두요소의 값을 알면 계산에 의해 구할 수 있고, 시간까지를 고려하면 전력과 전력량을 알 수가 있다. 한편, 전력은 Watt(w)라는 단위를 사용하며, “1(초)동안 1[v]j의 전압에 의하여 1[C]의 전하를 옮기는데 소요된 일의 량(에너지)”을 1[W]라 정의하고, 저항에 전류가 흐르면 열이 발생하는데 이 열은 전류가 흐르므로서 전력이 소비됨을 알 수 있다. 이때 전력은이며, 전력량은이다.제1법칙(=접합점법칙 또는 전류법칙)회로 내의 어느 점을 취해도 그곳에 흘러들어오거나 흘러나가는 전류를 음양의 부호를 붙여 구별하면, 들어오고 나가는 전류의 총계는 0이 된다. 즉, 전류가 흐르는 길에서 들어오는 전류와 나가는 전류의 합이 같다. 제1법칙은 전하가 접합점에서 저절로 생기거나 없어지지 않는다는 전하보존법칙에 근거를 둔다.제2법칙(=폐회로 법칙, 고리법칙 또는 전압법칙)임의의 닫힌회로(폐회로)에서 회로 내의 모든 전위차의 합은 0이다. 즉, 임의의 폐회로를 따라 한 바퀴 돌 때 그 회로의 기전력의 총합은 각 저항에 의한 전압 강하의 총합과 같다. 먼저 회로의 도는 방향(시계방향 또는 반시계방향)을 정하고 그 방향으로 돌아가는 기전력 E와 전압강하 IR의 부호를 정한다. 전류와 저항과의 곱의 총계(∑InRn)는 그 속에 포함된 기전력의 총계(∑En)와 같다. 이 법칙은 직류와 교류 모두 적용할 수 있으며, 저항 외에 인덕턴스, 콘덴서를 포함하거나 저항을 임피던스로 바꿀 수 있다. 제2법칙은 에너지 보존법칙에 근거를 둔다.여러 개의 저항이 직렬로 연결된 회로에서는 합성 저항 값은 각 저항 값들을 합한 값이다. 그러므로 R(전체저항) = R₁+R₂ 이다. 직렬회로에서 전류는 일정하다는 것을 옴의 법칙에 적용하면I₁R₁ = V₁, I₂R₂ = V₂이고 R = R₁+R₂이므로 V₁+V₂ = V이다. 전압에 대해 식을 정리하면 다음과 같다.I = I₁ = I₂를 구하면 다음과 같다.저항 R₁과 R₂를 위의 그림과 같이 병렬접속하면 합성저항은 다음과 같다.이 회로에 전압 V를 인가하면, 두 저항에 걸리는 전압은 V로서 같고, 전류는 분류법칙에 의해 I₁과 I₂로 분류되며 I(전체전류) = I₁+I₂가 된다.그림과 같이 접속된 전압 V를 인가하면 저항 R₁과 R₂에 병렬이므로 앞에 설명한 병렬회로의 합성저항 공식을 이용한다. 그 합성저항과 R₃는 직렬 관계이므로 직렬 합성저항 공식을 이용위의 식을 구할 수 있다. 저항 R₁, R₂, R₃에 걸리는 전압 V₁ 과V₂는 다음과 같다.전체전류 I와 I₁, I₂의 식은 다음과 같다.테브난 정리는 복잡한 회로를 단일 전압원과 단일 저항을 직렬 연결된 회로로 간략하게 나타내어 부하에 관해서 자항과 전류를 보다 쉽게 구할 수 있도록 해주는 방법이다. 정리된 회로에서 전압원을 테브난 전압(Vth)라 하고 저항을 테브난 저항(Rth)라 한다. 테브난 전압은 부하를 개방하였을 때 부하전압을 확인한다. 테브난 저항은 전자회로 내부 전압원은 단락, 전류원은 개방시킨 후 부하 측에서 내부로 본 임피던스를 측정한다.노튼 정리도 테브난 정리처럼 복잡한 회로를 간략하게 나타내기 위한 방법이다. 다만 단일 전류원과 단일 저항을 병렬 연결된 회로로 나타낸다는 것이 다른 점이다. 정리된 회로에서 전류원을 노튼 전류(Int)라 하고 저항을 노튼 저항(Rnt)라 한다. 노튼 전류는 부하 저항을 단락시켰을 때 단락회로의 전류를 측정한다. 노튼 저항은 테브난 저항과 같은 방법으로 구한다.3. 설계위의 그림과 같은 회로처럼 회로를 제작한다. 회로에서의 저항은 그림과 같은 값의 저항을 이용한다. power supply에서 나오는 전압 P1은 10+(0.5*1)=10.5V로 조정한 뒤 측정한다.부하 저항은 1.2K , 1.5K , 2.2K , 3.3K , 6.8K 을 이용한다. RL에 앞에서 말한 총 5개의 저항을 접속시켜서 부하 전압을 측정한다. 측정한 부하 전압은 옴의 법칙으로 RL을 대입하여 부하 전류를 구하고 옴의 법칙, 테브난 정리, 노튼 정리로 나오는 부하 전류값과 비교하여 오차를 구한다.4. 실험이 사진은 설계 부분에서 설명한 회로를 PCB기판을 이용해서 만든 것이다. 왼쪽의 빨간 선과 검은 선을 power supply에 각각 (+)과 (-)에 연결한 후 오른쪽 흰 선과 검은 선에 부하 저항을 접속시킨 후 실험하였다.RL₁(1.2K )RL₂(1.5K )RL₃(2.2K )RL₄(3.3K )RL?(6.8K )부하 전압(VL)4.73V5.10V5.69V6.20V6.85V그 결과 다음과 같은 부하 전압을 구할 수 있었다.그림 1에서 옴의 법칙을 적용하면 R(전체저항)의 값은 다음과 같다.R = R₁+R₂//R₃//RL = R₁+2.56K //RL = R₁+(2.56K *RL)/(2.56K +RL)R을 이용하여 I(전체전류)를 구하면 I = 10.5V/R 이다