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1. 개요
오디오 증폭기는 음성신호를 증폭하여 스피커를 구동할 수 있는 충분한 전력을 제공하는 장치이다. 일반적으로 처리하는 신호가 음성신호이므로 대역폭은 20 Hz에서 20 kHz 정도이어야 하고, 낮은 스피커 부하저항을 구동함에 있어서 왜곡 없이 충분한 이득을 제공할 수 있어야 한다. 본 프로젝트에서는 스마트폰 등의 헤드셋 단자에서 나오는 작은 음성신호를 스피커로 감상할 수 있도록 오디오 증폭기를 설계 및 구현하고자 한다. 이를 위해 입력 신호의 특성, 전원전압, 출력전력, 볼륨 조절 기능, 스피커 부하저항, 그리고 대역폭 등의 사양을 고려하여 증폭기를 설계한다.
2. 프로젝트 목표
프로젝트 목표는 1mV의 진폭과 10kHz의 주파수를 갖는 신호를 입력으로 하여 1000배의 증폭률, 즉 1V의 진폭을 갖는 출력 파형을 얻는 것이다. 이때 사용되는 부하저항은 100Ω으로 설정했고, 이것은 오디오와 같은 기기에 적용될 수 있다.
3. 관련 이론
3.1. MOSFET 작동 원리
MOSFET은 'Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor'의 약자로, 금속-산화물-반도체 구조로 이루어진 전계 효과 트랜지스터이다. MOSFET은 베이스, 소스, 드레인, 게이트의 4개의 단자로 구성되어 있으며, 게이트에 전압을 가해 소스와 드레인 사이의 전류를 제어하는 원리로 동작한다.
MOSFET의 기본적인 동작 원리는 다음과 같다. MOSFET 구조에서 소스와 드레인은 n-형 반도체로, 기판은 p-형 반도체로 구성되어 있다. 게이트와 기판 사이에는 산화막이 존재하며, 게이트에 전압을 가하면 기판과 산화막 사이에 전계가 발생한다. 이 전계에 의해 기판 표면의 전하가 반전되어 n-형 채널이 형성된다. 이때 소스와 드레인 사이에 전압을 가하면 전자가 n-형 채널을 통해 흐르게 되어 전류가 발생한다. 따라서 게이트 전압을 조절함으로써 소스-드레인 사이의 전류를 제어할 수 있다.
MOSFET의 동작 특성은 MOSFET 구조에 따라 크게 NMOS와 PMOS로 나뉜다. NMOS는 기판이 p-형, 소스와 드레인이 n-형인 구조를 가지며, 게이트에 양의 전압을 인가하면 n-형 채널이 형성되어 전자가 흐르게 된다. PMOS는 기판이 n-형, 소스와 드레인이 p-형인 구조를 가지며, 게이트에 음의 전압을 인가하면 p-형 채널이 형성되어 정공이 흐르게 된다.
MOSFET은 전압 제어 소자로서 입력 임피던스가 높고, 오프 상태에서 누설 전류가 작아 증폭 및 스위칭 회로에 널리 사용된다. 또한 집적화가 용이하여 디지털 및 아날로그 집적회로 설계에 활용되고 있다.
3.2. 다단 증폭기 이론
다단 증폭기는 단일 트랜지스터 증폭기를 종속(cascade) 연결하여 다단(Multi-stage) 증폭기를 구성하는 것이다. 이를 통해 단일 증폭단의 장점들이 결합된 우수한 성능의 증폭기를 구현할 수 있다.
다단 증폭기의 등가회로는 다음과 같다. 증폭기 1의 전압 이득, 입력 저항, 출력 저항을 각각 , , 으로 정의하고, 증폭기 2의 전압 이득, 입력 저항, 출력 저항을 각각 , , 으로 정의하였다.
신호원 부터 출력 까지의 전압 이득을 계산하면 다음과 같다.
(15.1) 전압 이득 =
이 식에서 알 수 있듯이, 신호원 가 증폭기 1의 입력 에 인가될 때 와 에 의해 전압 분배된다. 따라서 전압 이득을 높이기 위해서는 이 에 비해 커야 한다.
(15.2)
증폭기 1에서 증폭된 신호 은 증폭기 1의 출력 임피던스 과 증폭기 2의 입력 임피던스 에 의해 전압분배된다. 따라서 에 가까운 이득을 얻기 위해서는 이 에 비해 작아야 한다.
(15.3)
증폭기 2에서 증폭된 신호 는 증폭기 2의 출력 임피던스 와 부...
