본문내용
1. 실험 개요
1.1. CE 증폭기의 정의와 특징
CE 증폭기는 공통 이미터(Common Emitter) 증폭기로 불리며, 전압 증폭, RF 트랜시버, 저잡음 증폭기 등 다양한 용도로 사용되는 가장 대표적인 트랜지스터 증폭기이다. CE 증폭기의 주요 특징은 다음과 같다.
첫째, 입력 임피던스가 낮고 출력 임피던스가 높은 특성을 갖는다. 이를 통해 전압 및 전력 이득을 높일 수 있다. 둘째, 전압, 전류, 전력 이득이 모두 높다. 셋째, 주파수 특성이 좋지 않아 고주파 대역에서 동작하지 않는다. 넷째, 전압 이득이 온도 변화에 따라 불안정하다는 단점이 있다.
이처럼 CE 증폭기는 다양한 용도로 활용되며, 높은 전압 및 전력 이득을 갖는 장점이 있지만 주파수 특성과 온도 변화에 대한 안정성 등의 한계도 존재한다. 따라서 CE 증폭기의 설계와 특성을 충분히 이해하고 활용하는 것이 중요하다.
1.2. 실험 목적 및 내용
CE 증폭기는 입력 신호를 증폭하여 출력하는 역할을 한다. 실험의 목적은 CE 증폭기의 입력 및 출력 임피던스를 측정하고, 전압 이득과 전력 이득을 결정하며, 입력 및 출력 신호 전압의 위상 관계를 관찰하는 것이다. 이를 통해 CE 증폭기의 특성을 이해하고 실험의 한계 및 개선 방향을 찾고자 한다.
CE 증폭기의 동작 원리는 다음과 같다. DC 바이어스 설정을 통해 트랜지스터의 동작점을 결정하고, AC 신호 증폭을 위해 커플링 커패시터를 사용한다. 입력 신호는 베이스 단자에 인가되며, 이에 비례하여 증폭된 신호가 컬렉터 단자에서 출력된다. 입력 임피던스는 베이스 전류와 입력 전압의 비로, 출력 임피던스는 컬렉터 회로의 특성으로 결정된다. 전압 이득과 전력 이득은 각각 출력 전압/입력 전압, 출력 전력/입력 전력의 비로 구할 수 있다.
CE 증폭기 실험을 위해 트랜지스터, 저항, 커패시터 등의 부품을 선정하고 회로를 구성한다. DC 바이어스 점을 측정하고, 입력 임피던스와 출력 임피던스를 측정한다. 또한 전압 이득과 전력 이득을 계산하고, 에미터 저항 바이패스의 영향을 확인한다. 마지막으로 입출력 신호의 위상 관계를 관찰한다.
실험 결과 분석을 통해 CE 증폭기의 특성을 종합적으로 이해할 수 있다. 입력 임피던스는 낮은 편이며, 출력 임피던스는 비교적 높은 편이다. 전압 이득과 전력 이득은 에미터 저항 바이패스 여부에 따라 달라지며, 입출력 신호는 180도 위상 차이를 보인다. 이를 통해 CE 증폭기의 특성인 낮은 입력 임피던스, 높은 출력 임피던스, 전압 및 전력 이득, 위상 반전 등의 특성을 확인할 수 있다.
실험의 한계로는 부품 오차, 실험 환경, 측정 방법의 정확도 문제를 들 수 있다. 이를 개선하기 위해 고정밀 계측기 사용, 실험 환경 개선, 측정 방법 보완 등이 필요할 것이다. 또한 다양한 주파수 대역과 부하 조건에서의 특성 분석, 실제 응용 회로에의 적용 등 추가적인 실험이 요구된다. []
2. 실험 이론
2.1. CE 증폭기의 동작 원리
CE 증폭기의 동작 원리는 다음과 같다. CE 증폭기는 회로에서 베이스-이미터 접합이 순방향 바이어스, 베이스-컬렉터 접합이 역방향 바이어스되어 동작한다. 이때 컬렉터 전압은 전원전압(VCC)의 약 1/2 수준으로 설정하여 선형성을 유지하면서 출력전압의 크기를 최대화한다. 그리고 베이스 DC 전류를 결정하는 저항들(R1, R2, R3)이 회로에 포함된다. AC 신호가 인가되면, 커플링 커패시터(Ci, Cc)를 통해 신호가 전달되어 베이스전류가 변화하면 이는 증폭기에 의해 50~200배 증폭되어 컬렉터전류의 변화로 나타나고, 이 컬렉터전류의 일부가 부하저항에 흘러 출력전압으로 나타난다. 에미터 커패시터(CE)는 에미터 저항에 의한 이득 저하를 감소시키는 역할을 한다. 따라서 CE 증폭기는 DC 바이어스 설정과 AC 신호 증폭이 동시에 이루어지는 회로라 할 수 있다.
CE 증폭기의 동작 원리에서 핵심은 베이스-이미터 접합의 순방향 바이어스와 베이스-컬렉터 접합의 역방향 바이어스, 그리고 이를 통해 이루어지는 DC 바이어스와 AC 신호 증폭이다. 컬렉터 전압과 베이스 전류를 적절히 설정하여 선형성과 이득을 확보하며, 커플링 커패시터와 에미터 커패시터를 활용하여 AC 신호 전달과 이득 안정화를 이루는 것이 CE 증폭기의 핵심 동작 원리라 할 수 있다. 이와 같은 CE 증폭기의 특성으로 인해 저주파 전압 증폭, RF 트랜시버, 저잡음 증폭기 등 다양한 분야에 활용된다. ()
2.2. DC 바이어스 설정
트랜지스터 공통 이미터 증폭기의 DC 바이어스는 증폭기의 동작을 안정화시키고 선형 증폭 영역을 보장한다. 우선 베이스-이미터 접합은 순방향 바이어스되어 베이스 전류가 흐르도록 하며, 베이스-컬렉터 접합은 역방향 바이어스되어 컬렉터 전류가 흐르도록 한다. 또한 컬렉터 정압은 전원 전압 VCC의 약 절반 정도로 설정하여 선형성을 유지하면서 최대 출력 전압 스윙을 허용한다. 이를 위해 전원 전압 VCC, 베이스 전류를 결정하는 R1과 R2, 컬렉터 전류를 결정하는 RE와 RC와 같은 바이어스 회로 소자를 적절히 선정한다.
구체적으로, 이미터 전압 VE는 전원 전압 VCC의 1/10 정도로 설정하여 안정적인 바이어스 동작이 이루어지도록 한다. 그리고 컬렉터 전압 VC는 VCC의 약 절반인 5V 근방에서 선형 증폭 영역이 최대가 되도록 컬렉터 저항 RC를 조절한다. 또한 베이스 전류를 결정하는 R1과 R2는 트랜지스터의 최소 전류 증폭률 β를 고려하여 입력 임피던스가 지나치게 낮아지지 않도록 설계한다. 이를 통해 CE 증폭기의 DC 바이어스 동작점 Q를 안정적으로 설정할 수 있다.
2.3. AC 신호 증폭
증폭기의 AC 신호 증폭 기능은 입력 신호를 증폭하여 출력 신호로 생성하는 것이다. CE 증폭기의 경우, 입력 신호는 베이스에 인가되고 증폭된 신호가 컬렉터에서 출력되는 구조이다.
AC 신호 증폭을 위해서는 먼저 DC 바이어스 설정을 통해 트랜지스터의 동작점을 결정해야 한다. 동작점이 적절히 설정되면 입력되는 AC 신호가 증폭되어 출력된다.
CE 증폭기의 AC 증폭 원리는 다음과 같다. 입력 신호가 베이스에 인가되면 베이스 전류 iB가 변화하게 된다. 이에 따라 컬렉터 전류 iC도 변화하게 되는데, 이때 iC의 변화는 iB의 변화보다 Hfe배 크게 나타난다. 따라서 입력 신호가 증폭되어 출력 신...
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