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1. 실험 목적 및 개요
1.1. MOSFET 증폭기 실험
MOSFET을 이용한 기본적인 세 가지 증폭기 중에서 MOSFET 증폭기에 대해 실험을 수행한다. MOSFET 증폭기의 동작 원리를 살펴보고, 증폭기의 전압 이득 및 특성을 실험을 통해 확인하고자 한다.
실험에 사용되는 기자재 및 부품으로는 DC 전원 공급장치, 디지털 멀티미터, 오실로스코프, 함수 발생기, M2N7000(NMOS) 트랜지스터, 저항, 커패시터 등이 있다.
MOSFET 증폭기는 입력 신호가 게이트 단자에 인가되고, 출력은 소스 단자에서 감지된다. 드레인 단자가 공통이므로, 공통 드레인 증폭기라고 할 수 있다. 소스 팔로워와 유사한 특성을 가지며, 출력 신호가 입력 신호를 따라가는 특성이 있다. 따라서 전압 이득은 1에 가까운 값을 가지며, 주로 전압 버퍼로 사용된다.
MOSFET 증폭기의 주요 특성은 다음과 같다. 첫째, 출력 전압 Vo가 입력 전압 VGS와 거의 동일하다. 둘째, 전압 이득은 거의 1에 가깝다. 셋째, 출력 저항을 낮춰 부하를 효과적으로 구동할 수 있다. 넷째, 전류 이득이 크므로 부하에 안정적인 전류를 공급할 수 있다.
이러한 MOSFET 증폭기의 특성을 실험을 통해 확인하고자 한다. 실험 절차는 먼저 회로를 구성하고 MOSFET의 동작 점을 설정한다. 이후 입출력 전압 특성, 트랜스컨덕턴스와 출력 저항, 소신호 등가회로 및 전압 이득 등을 측정하고 분석한다. 실험 결과를 바탕으로 MOSFET 증폭기의 전압 버퍼 특성, 입력 신호 전달 특성, 출력 임피던스 감소 효과 등을 고찰할 수 있을 것이다.
1.2. 소스 팔로워와 공통 게이트 증폭기 실험
MOSFET을 이용한 기본적인 세 가지 증폭기 중 하나인 소스 팔로워와 공통 게이트 증폭기에 대해 실험을 진행하였다. 이를 통해 소스 팔로워와 공통 게이트 증폭기의 동작 원리를 살펴보고, 증폭기의 전압 이득 및 특성을 실험적으로 확인하고자 하였다.
소스 팔로워는 공통 드레인 증폭기라고도 불리는 것으로, NMOS 회로에서 입력의 역할을 트랜지스터의 게이트 단자가, 소스는 출력단자, 드레인은 입력과 출력에 공통이 되는 구조이다. 소스 팔로워의 주요 특성은 전압 이득이 1에 가깝다는 것이다. 즉, 입력 신호를 거의 변형 없이 전달하지만 출력 저항을 낮추고 전류를 증폭하는 역할을 한다. 따라서 소스 팔로워는 전압 버퍼로서 작은 부하 저항을 구동하는 데 많이 사용된다.
소신호 등가회로를 이용하면 소스 팔로워의 전압 이득을 다음과 같이 계산할 수 있다: A_v = (r_o||R_L) / (1/g_m + r_o||R_L). 여기서 r_o는 MOSFET의 출력 저항, R_L은 부하 저항이다. 전압 이득이 1에 가까운 이유는 분모의 1/g_m 항이 작기 때문이다.
실험을 통해 입력 전압을 변화시키면서 출력 전압을 측정한 결과, 소스 팔로워의 전압 이득이 거의 1에 가까운 것을 확인할 수 있었다. 또한 MOSFET의 트랜스컨덕턴스 g_m과 출력 저항 r_o를 측정하여 소신호 등가회로를 구성하고, 이를 통해 전압 이득을 계산한 결과도 실험 결과와 잘 부합하였다.
소스 팔로워는 전압 이득이 크지 않지만, 출력 임피던스를 낮추고 신호의 왜곡을 최소화하여 안정적으로 부하에 신호를 전달하는 역할을 한다. 특히 고임피던스 소스에서 저임피던스 부하로 신호를 보낼 때 유용하게 활용될 수 있다. 이번 실험을 통해 소스 팔로워의 이러한 특성을 확인할 수 있었다.
1.3. 증폭기 동작 원리 및 특성 분석
증폭기는 신호 전력을 증가시켜 다음 회로에 전달하는 역할을 하는데, 소스 팔로워와 공통 게이트 증폭기는 대표적인 증폭기 회로이다. 소스 팔로워는 입력 신호를 거의 그대로 출력에 전달하여 버퍼 역할을 하며, 출력 임피던스를 낮춰 전력 전달 효율을 높인다. 공통 게이트 증폭기는 전압 이득과 전류 이득이 모두 크며, 입력 신호에 대해 위상이 반전되는 특성이 있다.
먼저 소스 팔로워 증폭기는 입력 신호가 게이트에 인가되고 출력이 소스 단자에서 나오는 회로이다. 드레인 단...
