[아날로그전자회로실험] 3. 공통 베이스 BJT 증폭기

[아날로그전자회로실험] 3. 공통 베이스 BJT 증폭기

1. 실험목적

공통 베이스 증폭기의 직류 바이어스 해석을 한 다음, 그 결과를 이용하여 증폭기의 전압이득 \(A_{v}\), 입력 임피던스 \(Z_{i}\), 출력 임피던스 \(Z_{o}\)를 구하고 측정한다.

2. 실험이론

BJT의 교류 등가모델로 \(r_{e}\)모델과 하이브리드-\(\pi\)모델이 있다.

본 실험에서 사용할 모델은 왼쪽의 \(r_{e}\)모델이고, \(\displaystyle r_{e}=\frac{26\text{mV}}{I_{E_{Q}}}\)(\(I_{E_{Q}}\)는 직류 전류)이다.

공통 베이스 BJT 증폭기는 고주파 응용에 많이 사용되며, 전압이득이 높고, 입력 임피던스가 작고, 출력 임피던스가 중간 정도이다.

(왼쪽: 공통 베이스 BJT 증폭기, 오른쪽: 왼쪽 이미터 팔로워 BJT 증폭기 회로에 교류 등가모델을 적용한 회로)

공통 베이스 BJT 증폭기의 전압이득 \(A_{v}\)와 입력 임피던스 \(Z_{i}\), 출력 임피던스 \(Z_{o}\)는 다음과 같다. (참고: \(\displaystyle\alpha=\frac{\beta}{1+\beta}\approx1\))$$A_{v}=\frac{\alpha(r_{o}||R_{C})}{r_{e}}\left(\approx\frac{r_{o}||R_{C}}{r_{e}}\right),\,Z_{i}=R_{E}||r_{e}(\approx r_{e}),\,Z_{o}=r_{o}||R_{C}$$만약 \(r_{o}\)를 무시하면(\(r_{o}=\infty\Omega\))$$A_{v}=\frac{R_{C}}{r_{e}},\,Z_{i}=R_{E}||r_{e}(\approx r_{e}),\,Z_{o}=R_{C}$$이다.

*본 실험에서 \(r_{o}\)의 영향은 고려하지 않는다.

3. 실험

1) 실험장비 및 부품

오실로스코프, DMM, 함수발생기, 직류전원, \(100,\,1\text{k},\,3\text{k},\,10\text{k}\,33\text{k},\,100\text{k}\Omega\)저항, \(15\mu,\,100\mu\text{F}\) 커패시터, Q2N3904, Q2N2219 BJT(또는 등가의 BJT 이용)

(FESTO 社의 증폭기 실험장비)

2) 실험과정 

공통 베이스 직류 바이어스

(1) 다음 그림대로 회로를 구성하고, 저항 \(R_{1},\,R_{2},\,R_{C},\,R_{E}\)의 값을 DMM으로 측정해 기록한다.

(2) 위 회로에서 BJT 전압 \(V_{B},\,V_{E},\,V_{C}\)와 이미터 직류 전류 \(I_{E}\)(이론값)를 계산하고, 이 값을 이용하여 \(r_{e}\) 값을 구한다.

(3) DMM을 이용하여 BJT 전압 \(V_{B},\,V_{E},\,V_{C}\)를 측정하고, 실험 (2)의 값과 비교한다. 이미터 직류 전류 \(I_{E}\)(이론값)의 값을 식$$I_{E}=\frac{V_{E}}{R_{E}}$$를 이용하여 계산하고, 이 값을 이용하여 \(r_{e}\)의 값을 계산하고, 실험 (2)의 값과 비교한다.

(4) 다음의 공통 베이스 증폭기의 전압이득 식을 이용하여 이 증폭기의 전압이득 \(A_{v}\)를 계산한다.$$A_{v}=\frac{R_{C}}{r_{e}}$$

(5) 주파수가 \(1\text{kHz}\), 실효값이 \(V_{\text{sig}}=50\text{mV}\)인 교류 입력신호를 인가하고, 오실로스코프 또는 DMM을 이용하여 출력전압 \(V_{o}\)를 측정한 후, 무부하 전압이득$$A_{v}=\frac{V_{o}}{V_{\text{sig}}}$$를 측정한다. 또한 계산한 무부하 전압이득 값을 실험 (4)의 값과 비교한다.

입력, 출력 임피던스

(1) 본 실험의 공통 베이스 증폭기의 입력 임피던스는 \(Z_{i}=r_{e}\)이다. 이 식을 이용하여 \(Z_{i}\)의 값을 계산한다.

(2) 위 회로의 \(V_{\text{sig}}\)와 \(C_{1}\) 커패시터 사이에 입력 측정 저항 \(R_{x}=100\Omega\)를 연결한다.(아래 그림 참고)

이때 주파수 \(1\text{kHz}\), 실효값 \(V_{\text{sig}}=50\text{mV}\)인 입력신호를 인가하고 \(V_{i}\)를 측정한다.

(3) 실험 (2)에서$$V_{i}=\frac{Z_{i}}{Z_{i}+R_{x}}V_{\text{sig}}$$의 관계가 성립한다. 이 식을 이용하여 식$$Z_{i}=\frac{V_{i}}{V_{\text{sig}}-V_{i}}R_{x}$$를 얻고, 이 식을 이영하여 \(Z_{i}\)를 계산한다. 또한 실험 (1)의 값과 비교한다.

(4) 공통 베이스 증폭기의 출력 임피던스는 \(Z_{o}=R_{C}\)이다. 이 식을 이용하여 \(Z_{o}\)의 값을 계산한다.

(5) 주파수가 \(1\text{kHz}\)이고, 실효값이 \(V_{\text{sig}}=20\text{mV}\)인 입력을 인가하고, 이 입력신호에 대한 무부하 출력전압 \(V_{o}\)를 측정한다.

(6) 출력단에 부하 저항 \(R_{L}=3\text{k}\Omega\)를 연결하고 부하 출력전압 \(V_{L}\)을 측정한다.

(7) 실험 (6)에서$$V_{L}=\frac{R_{L}}{Z_{o}+R_{L}}V_{o}$$의 관계가 성립한다. 이를 이용하여 식$$Z_{o}=\frac{V_{o}-V_{L}}{V_{L}}R_{L}$$을 얻고, 이 식을 이용하여 \(Z_{o}\)를 계산한다. 또한 실험 (4)의 값과 비교한다.

오실로스코프 측정

(1) 실험하는 회로의 입력단에 주파수가 \(1\text{kHz}\), 실효값 \(V_{\text{sig}}=50\text{mV}\)인 교류 입력신호를 인가한다. \(V_{\text{sig}}\)와 이 입력신호에 대한 출력 \(V_{o}\)의 파형을 오실로스코프로 관찰하고, 그 파형을 그린다.

Pspice 시뮬레이션

Pspice로 구현한 공통 베이스 증폭기 회로. 유동(floating)을 방지하기 위해 \(V_{o}\)단자에 \(1\text{M}\Omega\)저항이 연결되었다.

\(V_{\text{sig}}\)와 \(V_{o}\)의 파형. \(V_{\text{sig}}\)는 \(0\)이 아님에 유의한다.

전압이득을 측정하는 과정.

입력 임피던스를 측정하는 과정. \(Z_{i}=r_{e}\)이므로 입력 임피던스는 작다.

출력 임피던스를 구하기 위한 회로.

출력 임피던스를 구하는 과정. \(Z_{o}=R_{C}\)이므로 출력 임피던스는 크다.

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

https://www.labvolt.com/solutions/2_electronics/40-91006-20_transistor_amplifier_circuits

http://kisi.deu.edu.tr/userweb/sebnem.seckin/EXP6.pdf