[아날로그전자회로실험] 7. 캐스코드 BJT 증폭기

[아날로그전자회로실험] 7. 캐스코드 BJT 증폭기

1. 실험목적

공통 이미터 증폭기와 공통 베이스 증폭기의 연결로 구성된 캐스코드 증폭기의 전압이득을 계산하고, 각각의 증폭기(공통 이미터, 공통 베이스)의 전압이득을 곱한 값과 비교한다.

2. 실험이론

캐스코드 증폭기는 앞의 실험목적에서 언급했듯이 공통 이미터 증폭기와 공통 베이스 증폭기의 연결로 이루어진 증폭기이고, 그 구성은 다음과 같다.(아래그림 참고)

*위의 캐스코드 증폭기의 교류등가회로에서 편의를 위해 \(r_{o}\)를 고려하지 않았다. 본 실험에서도 \(r_{o}\)를 고려하지 않는다.

공통 이미터 증폭기의 전압이득은 \(Q_{2}\)에서 바라본 저항이 \(r_{e_{2}}\)이므로(아래 그림 참고)

$$A_{v_{1}}=-\frac{r_{e_{2}}}{r_{e_{1}}}$$이고, 공통 베이스 증폭기의 전압이득은$$A_{v_{2}}=\frac{R_{C}}{r_{e_{2}}}$$이므로 전체 전압이득은$$A_{v}=A_{v_{1}}A_{v_{2}}=-\frac{R_{C}}{r_{e_{1}}}$$이다.

3. 실험

1) 실험장비 및 부품

오실로스코프, DMM, 함수발생기, 직류전원, \(1\text{k},\,1.8\text{k},\,4.7\text{k},\,5.6\text{k},\,6.8\text{k}\Omega\)저항(각 1개), \(10\mu\text{F}(4)\) 커패시터, Q2N3904(2) BJT.

2) 실험과정

(1) 아래 그림대로 회로를 구성하고 직류 바이어스 해석(베이스 전류<전압 분배기 전류 라고 가정)을 해서

각 트랜지스터의 직류 단자전압인 \(V_{B_{1}},\,V_{E_{1}},\,V_{C_{1}},\,V_{B_{2}},\,V_{E_{2}},\,V_{C_{2}}\)를 계산하고 이미터 직류 전류 \(I_{E_{1}},\,I_{E_{2}}\)를 계산한다. 직류 이미터 전류를 이용하여 BJT의 교류 동저항$$r_{e_{1}}=\frac{26\text{mV}}{I_{E_{1}}},\,r_{e_{2}}=\frac{26\text{mV}}{I_{E_{2}}}$$을 계산한다.

(2) DMM을 이용하여 각 트랜지스터의 직류 단자전압 \(V_{B_{1}},\,V_{E_{1}},\,V_{C_{1}},\,V_{B_{2}},\,V_{E_{2}},\,V_{C_{2}}\)를 측정하고, 이미터 직류 전류 또한 측정한다. 측정한 이미터 직류 전류 값을 이용하여 BJT의 교류 동저항 \(r_{e_{1}},\,r_{e_{2}}\)를 계산하고, 그 결과를 실험 (1)의 교류 동저항의 값들과 비교한다.

(3) 실험 (1)의 결과를 이용하여 각 증폭기의 전압이득$$A_{v_{1}}=-\frac{r_{e_{2}}}{r_{e_{1}}},\,A_{v_{2}}=\frac{R_{C}}{r_{e_{2}}}$$를 계산하고, 전체 전압이득$$A_{v}=-\frac{R_{C}}{r_{e_{1}}}$$또한 계산한다.

(4) 주파수 \(10\text{kHz}\), 실효값 \(V_{\text{sig}}=10\text{mV}\)인 교류 입력신호를 \(V_{i_{1}}\)단자에 인가한다. 그 다음으로 오실로스코프를 이용하여 출력전압 \(V_{o}\)의 파형을 관찰하고 신호가 왜곡되지 않게 한다(왜곡 발생시 입력 신호를 감소시키는 방법으로 왜곡을 제거한다).

DMM을 이용하여 교류 신호 \(V_{i},\,V_{o_{1}},\,V_{o_{2}}\)를 측정하고 기록한다.

(5) 실험 (4)에서 측정한 \(V_{i},\,V_{o_{1}},\,V_{o_{2}}\)를 이용하여 교류 전압이득$$A_{v_{1}}=\frac{V_{o_{1}}}{V_{1}},\,A_{v_{2}}=\frac{V_{o_{2}}}{V_{o_{1}}},\,A_{v}=A_{v_{1}}A_{v_{2}}=\frac{V_{o_{2}}}{V_{i}}$$를 계산하고 실험 (3)의 결과와 비교한다.

(6) 오실로스코프를 이용하여 관찰한 입력신호 \(V_{i}\)와 첫 번째 단의 출력 \(V_{o_{1}}\), 두 번째 단의 출력 \(V_{o_{2}}\)의 파형을 그린다.

Pspice 시뮬레이션

캐스코드 증폭기 회로. 유동(floating)을 방지하기 위해 두 출력단에 각각 \(10\text{M}\Omega\)저항을 연결했다. 

입력파형과 첫번째 단의 출력파형.

입력파형과 두번째 단의 출력파형.

첫번째 단(공통 이미터)의 전압이득 측정.

두번째 단(공통 베이스)의 전압이득 측정.

캐스코드 증폭기(전체)의 전압이득 측정. 

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://mece347.cankaya.edu.tr/uploads/files/Lab6_darlington.pdf