[아날로그전자회로실험] 1. 공통 이미터 BJT 증폭기
1. 실험목적
공통 이미터 증폭기의 직류 바이어스 해석을 한 다음, 그 결과를 이용하여 부하 동작과 무부하 동작 조건에서의 전압이득 Av, 입력 임피던스 Zi, 출력 임피던스 Zo의 측정값을 구한다.
2. 실험이론
BJT의 교류 등가모델로는 다음 그림과 같이 re모델과 하이브리드-π 모델이 있다.
이 교류 등가모델을 이용하여 해당 증폭기의 입력 임피던스, 출력 임피던스, 전압이득을 구할 것이다.
아래 그림의 공통 이미터 BJT 증폭기 회로는 일반적으로 큰 전압이득을 얻을 수 있고, 적당한 입력 임피던스와 출력 임피던스를 제공해서 가장 많이 이용된다.
(왼쪽: 공통 이미터 BJT 증폭기, 오른쪽: 왼쪽 공통 이미터 BJT 증폭기 회로에 교류 등가모델을 적용한 회로)
Vi,Vo는 둘 다 실효값, 피크값 또는 피크-피크 값이 될 수 있고, 입력 임피던스 Zi는 입력 신호에서 바라본 증폭기의 임피던스이고, 출력 임피던스 Zo는 부하에서 출력단 방향으로 바라본 증폭기의 임피던스이다.
위의 공통 이미터 BJT 증폭기의 이미터 저항 RE에 바이패스 커패시터 CE가 병렬로 연결되어 있기 때문에, 전압이득 Av와 입력 임피던스 Zi, 출력 임피던스 Zo는Av=VoVi=−RC||rore,Zi=RB||βre,Zo=ro||RC이고, ro를 무시(ro=∞Ω)하면,Av=VoVi=−RCre,Zi=RB||βre,Zo=RC이다. 여기서 BJT의 교류 동저항 re는 열전압 26mV를 이미터 직류 전류 IEQ로 나눈 값으로 계산한다. 즉re=26mVIEQ
본 실험에서는 전압분배기 BJT 증폭기 회로로 실험할 것이다. 이때 βRE≥10R2이면, 근사방법을 적용하여 β의 값을 몰라도 직류 바이어스 해석을 할 수 있다(직류 바이어스 해석은 IEQ를 구하기 위해서 한다). 물론 실험제목이 공통 이미터 BJT 증폭기인데 뜬금없이 전압분배기를 사용한다는 것에 의문이 있을 것이다. 그러나 RB=R1||R2이면, 공통 이미터 증폭기의 교류등가모델과 전압분배기 증폭기의 교류등가모델은 서로 같게 된다.
(왼쪽: 전압분배기 BJT 증폭기, 오른쪽: 왼쪽 전압분배기 BJT 증폭기 회로에 교류 등가모델을 적용한 회로)
전압분배기 BJT 증폭기의 이미터 저항 RE에 바이패스 커패시터 CE가 병렬로 연결되어 있기 때문에 전압이득과 입력, 출력 임피던스는 다음과 같다.Av=−RC||rore,Zi=R′||βre,Zo=ro||RCro를 무시하면(ro=∞Ω)Av=−RCre,Zi=R′||βre,Zo=RC이고, 공통 이미터 BJT 증폭기와 비교하면 전압이득과 출력 임피던스는 같고, 입력 임피던스는 RB=R′(=R1||R2)이면, 같게 된다.
*본 실험에서 ro의 영향은 고려하지 않는다.
3. 실험
1) 실험장비 및 부품
오실로스코프, DMM, 함수발생기, 직류전원, 1k,3k,10k,33kΩ저항, 15μ,100μF 커패시터, Q2N3904, Q2N2219 npn형 BJT(또는 등가의 BJT)
(FESTO 社의 증폭기 실험장비)
2) 실험과정
공통 이미터 직류 바이어스 및 전압이득
앞에서 BJT의 교류 동저항 re의 식은 re=26mVIEQ이다. 따라서 re를 구하려면 이미터 직류 전류 IEQ의 값을 알아야 한다. 그렇기 때문에 직류 바이어스 실험을 하는 것이다.
(1) 다음 그림대로 회로를 구성하고 저항 R1,R2,RC,RE의 값을 DMM으로 측정해 기록한다.
(2) 위 회로에서 BJT 전압 VB,VC,VE와 이미터에 흐르는 직류 전류 IE값(이론값)을 계산하고, 이 값을 이용하여 re를 계산한다.
(3) DMM을 이용하여 BJT 전압 VB,VC,VE를 측정하고, 실험 (2)의 값과 비교한다. 이미터 직류 전류 IE의 값을 식IE=VERE를 이용하여 계산하고, 이 값을 이용해 re의 값을 계산한다. 또한 re의 값을 실험 (2)의 값과 비교한다.
(4) 다음의 공통 이미터 전압이득의 식을 이용하여 이 증폭기의 전압이득 Av를 계산한다.Av=−RCre
(5) 주파수가 f=1kHz이고, 실효값이 Vsig=20mV인 교류 입력신호를 인가하고, 출력 파형을 오실로스코프로 관찰하는데 이때 파형에 왜곡이 없게 한다(왜곡이 있으면, 입력신호를 줄이거나 직류 바이어스를 제대로 측정했는지 확인한다). 이때 오실로스코프 또는 DMM을 이용하여 교류 출력전압을 측정하고, 이 값을 이용해 이 회로의 무부하 전압 이득Av=VoVsig를 계산한다. 또한 계산한 무부하 전압 이득 값을 실험 (4)의 Av의 값과 비교한다.
입력, 출력 임피던스
(1) 전압 분배기 증폭기의 입력 임피던스는 Zi=R1||R2||βre이다. 이 식을 이용하여 Zi의 값을 계산한다. R1,R2,re값은 위 실험의 회로의 것을 이용하고, β의 값은 커브 트레이서 또는 β테스터를 이용한 측정값 또는 규격표에 기록된 값을 이용한다.
(2) 위 회로의 Vsig와 C1 사이에 입력 측정 저항 Rx=1kΩ를 연결한다.(아래 그림 참고)
이때 주파수 f=1kHz, 실효값 Vsig=20mV인 입력신호를 인가하고, 출력 파형을 오실로스코프로 관찰하는데 파형에 왜곡이 없도록 한다(필요하면 입력 신호의 크기를 조절). 또한 Vi를 측정한다.
(2) 실험 (1)에서Vi=ZiZi+RxVsig의 관계가 성립한다. 이를 이용하여 Zi에 대한 식Zi=Vi(Vsig−Vi)Rx를 얻고, 이 식을 이용하여 Zi를 계산한다. 또한 실험 (1)의 값과 비교한다.
(3) 전압 분배기 증폭기의 출력 임피던스는 Zo=RC이다. 이 식을 이용하여 Zo의 값을 계산한다.
(4) 실험 (1)의 회로에서 입력 측정 저항 Rx를 제거하고 주파수 1kHz, 실효값 Vsig=20mV인 입력신호에 대한 무부하 출력전압 Vo를 측정하는데 이때 출력 파형에 왜곡이 없게 한다.
(5) 실험 (4)에서 부하 RL=3kΩ를 연결하고, 부하 출력전압 VL을 측정한다.
(6) 실험 (5)에서VL=RLZo+RLVo의 관계가 성립한다. 이를 이용하여 Zo에 대한 식Zo=Vo−VLVLRL를 얻고, 이 식을 이용하여 Zo를 계산한다. 또한 실험 (3)의 값과 비교한다.
오실로스코프 측정.
(1) 실험하는 회로의 입력단에 주파수 1kHz, 실효값 Vsig=20mV인 교류 입력신호를 인가한다. Vsig의 파형과, 이 입력신호에 대한 출력 Vo의 파형을 오실로스코프로 관측한 다음 그 파형을 그린다.
Pspice 시뮬레이션
이 회로는 본 실험의 전압분배기 회로이고, 유동(floating)을 방지하기 위해 Vo단자에 1MΩ저항을 연결했다.
Vsig와 Vo의 파형. Vsig의 피크 값이 10mV여서 거의 0V처럼 보인다. 실제로 0이 아님에 유의한다.
입력 임피던스를 구하기 위해 Vsig의 RMS 값을 C1 커패시터에 흐르는 전류 IC1의 RMS 값으로 나눈 그래프. 초기에는 진동하나 시간이 지날수록 특정한 값으로 일정해진다.
출력 임피던스를 구하기 위한 회로. Vsig를 0으로 설정하고, 1MΩ저항 자리에 피크값이 1V인 정현파 전원을 인가했다.
출력 임피던스를 구하기 위해 Vtest(=Vo)의 RMS 값을 C2 커패시터에 흐르는 전류 IC2의 RMS 값으로 나눈 그래프. 입력 임피던스의 경우처럼 초기에는 진동하나 시간이 지날 수록 특정한 값으로 일정해진다.
참고자료:
Laboratory Manual to accompany Electronic Devices and Circuit Theory 11th edition, Boylestad, Nashelsky, Monssen, Pearson
Electronic Devices and Circuit Theory 11th edition, Boylestad, Nashelsky, Pearson
Microelectronics: Circuit Analysis and Design 4th edition, Neamen, McGraw-Hill
http://kisi.deu.edu.tr/sebnem.seckin/EXP5.pdf
https://www.labvolt.com/solutions/2_electronics/40-91006-20_transistor_amplifier_circuits
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