[기초전자회로실험] 13. JFET 바이어스 회로

[기초전자회로실험] 13. JFET 바이어스 회로

1. 실험목적

JFET를 이용한 고정 바이어스, 자기 바이어스, 전압분배기 바이어스 회로를 실험으로 분석한다.

2. 실험이론

JFET를 바이어스하는 과정은 BJT와 같다. JFET와 연결된 외부 회로가 결정되면, JFET의 드레인 특성곡선을 이용해 $V_{DD},\,V_{DS},\,I_{D}$로 표현되는 부하선을 그릴 수 있다. 이 부하선과 드레인 특성곡선의 교점이 JFET의 동작점이다.

특성곡선은 JFET의 물리적 특성에 의해 결정되나 부하선은 JFET와 연결된 외부 회로의 영향을 받는다. 실제로 같은 종류의 JFET라 해도 드레인 특성곡선에 차이가 있다. 그렇기 때문에 제조를 하는 회사에서 특성곡선 대신 포화전류 $I_{DSS}$와 핀치 오프 전압 $V_{p}$의 값들을 규격표에 제공한다. 그렇기 때문에 JFET의 동작점을 결정하기 위해서 특성곡선이 아닌 다음의 방법을 이용해야 한다.

1. 특정 JFET에 대해 $V_{GS}$와 $I_{D}$의 관계를 나타내는 트랜스컨덕턴스 곡선을 포화전류 $I_{DSS}$와 핀치오프 전압 $V_{p}$, Shockley 방정식 $$I_{D}=I_{DSS}\left(1-\frac{V_{GS}}{V_{p}}\right)^{2}$$ 로부터 구한다.

2. JFET에 연결된 외부 회로에 영향을 받는 바이어스 곡선을 구한다.

3. 동작점은 1과 2의 두 곡선의 교점이다.

3. 실험

1) 실험장비 및 부품

DMM, $1\text{k},\,1.2\text{k},\,2.2\text{k},\,3\text{k},\,10\text{k},\,10\text{M}\Omega$저항, $1\text{k}\Omega$전위차계, 2N4166 JFET(또는 등가의 JFET), 직류전원, $9\text{V}$ 건전지, 홀더

2) 실험과정

고정 바이어스 회로

(1) 다음 그림과 같이 회로를 구성하고 DMM으로 저항 $R_{D}=R_{D(\text{meas})}$의 값을 측정한다.

(2) $V_{GS}=0\text{V}$로 설정하고 전압 $V_{R_{D}}$를 측정한다. 옴의법칙 $\displaystyle I_{D}=\frac{V_{R_{D}}}{R_{D}}$로부터 측정한 저항값 $R_{D}$를 이용하여 $I_{D}$를 계산하고, $V_{GS}=0\text{V}$이므로 $I_{D}=I_{DSS}$이다. 계산한 $I_{DSS}$의 값을 기록한다.

(3) $\displaystyle V_{R_{D}}=1\text{mV}\,\left(I_{D}=\frac{V_{R_{D}}}{R_{D}}\approx1\mu\text{A}\right)$가 될 때 까지 $V_{GS}$를 (-)전압으로 증가시킨다. $I_{D}\approx0\text{A}$이므로 이 때의 $V_{GS}$의 값이 핀치 오프 전압 $V_{p}$이고, 이 값을 기록한다.

(4) 실험 (2)와 (3)에서 얻은 $I_{DSS}$, $V_{p}$의 값과 Shockley 방정식 $$I_{D}=I_{DSS}\left(1-\frac{V_{GS}}{V_{p}}\right)^{2}$$ 을 이용하여 전달특성곡선을 그린다.

(5) $V_{GS}=-1\text{V}$일 때, 실험 (4)의 전달특성곡선에서 $I_{D_{Q}}$를 결정한다.

(6) 실험 (4)의 전달특성곡선에서 $V_{GS}=-1\text{V}$로 놓고 전압 $V_{R_{D}}$를 측정하고, 측정한 $R_{D}$의 값을 이용해 $$I_{D_{Q}}=\frac{V_{R_{D}}}{R_{D}}$$ 를 계산하고 기록한다. 또한 실험 (5)와 비교한다.

자기 바이어스 회로

*소스 저항이 커질수록 바이어스 선은 수평에 가까워지고, 드레인 전류의 값은 작아진다.

(1) 다음 그림과 같이 회로를 구성하고 DMM으로 저항 $R_{D}=R_{D(\text{meas})},\,R_{S}=R_{S(\text{meas})}$의 값을 측정한다.

(2) 고정 바이어스 회로 실험의 전달특성곡선에 자기 바이어스 선 $V_{GS}=-I_{D}R_{S}$을 그리고 회로의 Q점(동작점)을 찾아서 동작점의 $I_{D_{Q}}$와 $V_{GS_{Q}}$의 값을 기록한다.

(3) $V_{GS},\,V_{D},\,V_{S},\,V_{DS},\,V_{G}$의 값을 계산하고 기록한다.

(4) DMM을 이용하여 $V_{GS},\,V_{D},\,V_{S},\,V_{DS},\,V_{G}$의 값을 측정하고 실험 (3)과 비교한다 또한. 이 값들에 대한 상대오차를 구한다.

*상대오차: 계산값: $V_{C}$, 측정값: $V_{M}$일 때, $$\left|\frac{V_{C}-V_{M}}{V_{C}}\right|\times100\text{%}$$

전압 분배기 바이어스 회로

(1) 다음 그림과 같이 회로를 구성하고 DMM으로 저항 $R_{1}=R_{1(\text{meas})},\,R_{2}=R_{2(\text{meas})},\,R_{D}=R_{D(\text{meas})},\,R_{S}=R_{S(\text{meas})}$의 값들을 측정한다.

(2) 고정 바이어스 회로 실험에서 구한 포화전류 $I_{DSS}$와 핀치 오프 전압 $V_{p}$의 값을 이용하여 해당 실험의 (4)의 전달특성곡선에서 전압 분배기 바이어스 선 $\displaystyle V_{GS}=V_{G}-I_{D}R_{S}\,\left(V_{G}=\frac{R_{2}}{R_{1}+R_{2}}V_{DD}\right)$을 그리고 회로의 동작점을 찾는다.

($V_{GS}=V_{G}-I_{D}R_{S}$에서 $I_{D}=0\text{mA}$이면, $(V_{G},\,0)$, $V_{GS}=0\text{V}$이면, $\displaystyle \left(0,\,\frac{V_{G}}{R_{S}}\right)\left(I_{D}=\frac{V_{G}}{R_{S}}\right)$이다)

(3) 실험 (2)에서 구한 동작점으로부터 $I_{D_{Q}}$와 $V_{GS_{Q}}$의 값을 결정한다.

(4) $V_{GS_{Q}},\,V_{D},\,V_{S},\,V_{DS}$의 이론값을 구하고 기록한다.

(5) $V_{GS_{Q}},\,V_{D},\,V_{S},\,V_{DS}$를 측정하고 그 값을 기록한다.

(6) 실험 (4)와 (5)의 결과를 이용해 각 전압에 대한 상대오차를 구한다.

(7) 실험 (5)에서 측정한 전압 $V_{D}$의 값을 이용하여 다음의 식을 이용해 $I_{D_{Q}}$를 구하고 $$I_{D_{Q}}=\frac{V_{DD}-V_{D}}{R_{D}}$$ 실험 (3)에서 구한 $I_{D_{Q}}$의 값을 이용해 상대오차를 구한다.

(Pspice를 이용한 JFET 바이어스 회로 실험)

-JFET 자기 바이어스 회로

(해석 전)

(해석 후 전류, 전력값들)

-JFET 전압분배기 바이어스 회로

(해석 전)

  (해석 후 전압, 전류, 전력값들)

참고자료:

Laboratory Manual to accompany Electronic Devices and Circuit Theory 11th edition, Boylestad, Nashelsky, Monssen, Pearson

http://www.carlomozetic.net/older/userfiles/Lab_10.pdf

https://www.electronics-tutorials.ws/amplifier/amp_3.html

http://electronics.tistory.com/attachment/4911a90e39c06A1.hwp