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19. 차동증폭기 예비

19. 차동증폭기1.실험 목적1) 차동증폭기의 직류바이어스 상태를 측정한다.2) 차동증폭기의 전달특성곡선을 측정하여 구한다.3) 차동모드 증폭의 이득과 입력신호에 대한 출력 신호의 파형 및 위상 등을 비교 측정한다.4) 공통모드 증폭의 이득과 공통성분 제거비를 측정한다.2. 관련 이론2.1 차동 증폭기 동작의 이해[차동 증폭기 구조]트랜지스터 차동 증폭기의 특성이 동일한 두 개의 트랜지스터 Q1과 Q2의 이미터 단자를 함께 묶어 전류원 IEE로 직류 바이어스를 인가해주고 콜렉터를 부하저항 RC를 통해 전압원 Vcc에 연결하여 구성한다.[출력 전압]출력전압 Vo1과 Vo2는 전원전압 Vcc가 콜렉터 저항 Rc에 의해 전압 강하된 후의 전압이므로 다음과 같이 구해진다.Vo1= Vcc-RcIc1Vo2= Vcc-RcIc2[콜렉터 전류]마디 Ve에서 키르히호프의 전류법칙을 적용하면 다음과 같은 ic1, ic2 및 IEE의 관계식을 얻는다.Ic1+Ic=IEE[차동 성분 Vd, 공통성분 Vc]두 입력신호 Vg1 과 Vg2는 차동성분 Vd와 공통성분 Vc로 분류 될 수 있으며 이들은 각각Vd=VB1-VB2=V+-V-Vc=VB1+VB2/2=V+-V-/2차동 증폭기란 두 입력신호의 차동성분은 증폭하는 반면 공통성분은 제거하는 증폭기를 말한다. 신호의 차동성분에 의한 동작을 차동모드 동작이라고 하고 신호의 공통성분에 의한 동작을 공통모드 동작이라고 한다.2.11 차동 모드 동작1)VB1=VB2=VB인 경우이 경우 VBE1=VBE2 가 되어 대칭 구조인 차동 증폭기에서 두 입력이 같아지므로 Ic1=Ic2가 된다. 두 콜렉터 전류의 합은 IEE가 되므로 다음의 수식을 얻는다.Ic1=Ic2=IEE/2 출력전압은 다음과 같이 구해진다.Vo1=Vcc-RcIc1=Vcc-RcIEE/2=VoVo2=Vcc-RcIc2=Vcc-RcIEE/2=Vo요약하면 다음수식으로 표현된다.Vo1=Vo2=Vcc-RcIEE/2=Vo2)VB1=VB+△V, VB2=VB-△V 인 경우이 경우 Vo1= Vo-Rc△I , Vo2= Vo+Rc△I결과적으로 입력 전압의 차는 증폭되어 출력전아븨 차로 나타난다.2.12 공통모드 동작두 입력단자를 묶어 입력을 인가하면 두 입력에는 항상같은 전압이 인가되므로 공통모드로 동작하게 된다. 이 것은 입력이 VB1=VB2=VB+△V인 경우가 된다이 경우 △V의 변화에 관계없이 VBE1=VBE2가 되므로 Ic1=Ic2가 되어 다음의 관계식을 얻는다.ic1=ic2=iEE/2따라서 출력 전압은 다음 수식으로 표현된다.Vo1=Vo2=Vcc-RcIEE/2=Vo2.2 차동 증폭기의 소신호 동작매우 작은 신호 즉, 소신호에 대해서 차동 증폭기는 거의 선형적 동작을 하므로 선형 증폭기로 간주하여 해석한다. 또한 ,증폭동작은 차동모드와 공통모드로 구분 된다.2.2.1 차동성분과 공통성분[차동성분과 공통성분]차동증폭기에서 입력을 차동성분과 공통성분으로 구분하여 표시하고 입력단자의 전압은 다음 수식으로 표현된다.VB1=Vcm+vd/2VB2=Vcm-vd/2여기서 Vcm은 공통성분의 직류전압으로서 트랜지스터의 베이스 바이어스 전압을 설정해준다.일반적으로 트랜지스터의 베이스 바이어스 전압은 전원전압의 중간 값으로 설정한다.Vd는 차동성분의 신호로서 Vd/2로 나누고 서로 반전시켜 두 입력에 인가함으로써 차동성분의 신호로서 Vd/2로 나누고 반전시켜 두 입력에 인가함으로써 차동성분 신호임을 표현하였다.2.2.2 소신호 차동모드 동작트랜지스터 차동 증폭기에 대한 교류 등가회로를 구하는 과정을 보여 주고 있다. 교류등가를 구하기 위해 직류 전원을 제거한 상태의 회로로 VB1에 인가한 Vd/2에 의해 ic1 증가분과 같은 크기의 전류가 ic2에서 감소하게 된다. 따라서 트랜지스터 Q1과 Q2의 이미터 단자는 교류적으로 접지된 것과 같다. 따라서 교류 등가회로에서 마디 VE는 접지된 것으로 등가 된다.[차동모드 이득]반쪽회로의 교류 등가 회로에서 전압 이득을 구하면 다음과 같다.Ad=Vo1/(Vd/2)=-gmRc한편 , ic2=-ic1이므로 Vo2=-Vo1이 된다. 전체회로에서 이득을 정의하면 다음과 같이 구해진다.Ad=Vo1-Vo2/VG1-VG2=2Vo1/2(Vd/2)=Vo1/(Vd/2)으로부터 전체회로에서 구한 이득이 반쪽회로에서 구한 이득과 같다는 것을 알 수 있다. 따라서 대칭회로의 경우 반쪽회로 해석이 계산을 단순화하는 효율적인 방법임을 알 수 있다.2.2.3 소신호 공통모드 동작소신호 Vc가 두 차동 입력에 동상으로 인가된 소신호 공통모드 회로이다. 실제로 잡음이나 교란이 발생할 경우 두 차동 입력에 동상으로 인가되므로 공통모드로 동작하게 된다.직류 성분을 제거하여 교류 등가 회로를 구한다. 여기서 REE는 전류원 IEE의 내부 저항이다.,Rss는 등가적으로 두 개의 2Rss의 병렬합성으로 표현될 수 있다. 이 경우 마디 Vs를 두 개로 분리하여도 회로 특성에는 전혀 영향을 주지 않는다. 따라서 마디 Vs를 두 개로 분리하여도 회로 특성에는 전혀 영향을 주지 않는다. 따라서 마디 Vs를 두 개로 분리하여도 회로 특성에는 전혀 영향을 주지 않는다.등가회로로부터 출력전압 Vo1은 다음 수식으로 구한다.vo1=-Rcic1=-RcgmVπ 또한 , 입력루프에 키르히호프 전압법칙을 적용하면 다음의 Vc에 대한 수식을 얻는다. Vc=(1+2REEGm)vπ따라서 공통모드 이득 Ac은 다음 수식으로 얻어진다.Ac=Vo1/Vc=-Rc/2REE공통성분제거비는 다음과 같이 구한다.CMRR=Ad/Ac=2gmREE3. 실험 기기 및 부품디지털 멀티미터, 파형발생기 , 오실로스코프, 직류전원장치, 브레드보드, 트랜지스터, 저항,가변저항4. 실험 내용 및 절차4.1 차동 증폭기1)회로를 브레드 보드에 구성한다.2)디지털 멀티미터를 사용하여 설정된 전원전압이 실제로 정확한지 확인하고 , VB1,VB2,Vo1,Vo2 및 VE마디의 직류전압을 측정하여 표1에 기입한다.3) 측정된 마디전압을 이용하여 Ic1,Ic2 및 Ie의 값을 계산하여 기입한다.4)그림2의 회로를 브레드보드에 구성한다.5)2kΩ의 가변저항을 조절하여 VB1=-2v가 되도록 조정하고, 디지털 멀티미터를 사용하여 VB2, VO1,VO2 및 VE 마디의 직류 전압을 측정하여 표2에 기입한다.6)측정된 마디 전압을 이용하여 Ic1.Ic2 및 IE의 값을 계산하여 표2에 기입한다.7)kΩ의 가변저항을 조절하여 VB1=-2v가 되도록 조정하고, 디지털 멀티미터를 사용하여 VB2, VO1,VO2 및 VE 마디의 직류 전압을 측정하여 실험 5~실험 6과정을 반복한다.8) 표2의 결과를 그림R1에 그래프로 그려서 차동증폭기의 전달특성곡선을 완성한다.6) 출력전압 Vo의 진폭을 측정하여 표1에 기록하고 , 그림 R1에 출력파형을 그린다.7)부하저항 RL을 제거한 후 실험 6을 반복한다.8) 제거한 부하저항 RL을 원래대로 되돌리고 이미터 콘덴서를 CE를 제거한 후 실험 6을 반복한다.9)그림 3의 회로를 브레드보드에 구성한다.10) 오실로스코프의 CH1을 회로의 VB1 단자에 연결하고 수직설정에서 입력 커플링을 접지로 선택하여 0V 접지레벨이 화면의 수평축 상에 오도록 수직위치를 조절한 다음, 입력 커플링을 다시 교류 결합으로 변경한다.11) 오실로스코프 CH1으로 측정하면서 입력신호의 진폭 Vm=0.1V가 되고 주파수 1Khz 및 오프셋 전압이 0V가 되도록 파형 발생기의 진폭 및 주파수를 정확히 조절 한 후 그림 R2에 입력 파형을 그린다.

공학/기술| 2014.11.28| 6페이지| 1,000원| 조회(135)

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