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1. 교류증폭기의 주파수 응답특성
1.1. 실험 목적
캐패시터 결합 교류증폭기의 전압이득과 위상지연이 저주파 영역 및 고주파 영역에서 어떤 영향을 받는지 실험을 통해 고찰하는 것이 이 실험의 목적이다.
1.2. 이론
1.2.1. 교류증폭기의 주파수 응답
1.2.1.1. 바이폴라 교류증폭기의 저주파 응답
바이폴라 교류증폭기의 저주파 응답은 신호주파수가 충분히 낮은 경우, 캐패시터들의 리액턴스 X_C가 무시할 만큼 충분히 작지 않기 때문에 교류증폭기 회로를 저주파 영역에서 해석할 때는 캐패시터들에 대한 영향을 고려해야 한다.
따라서 중간 주파수 범위에서만 캐패시터를 단락회로로 무시할 수가 없게 되며, 교류증폭기의 교류등가회로에는 캐패시터들이 남게 된다. 교류증폭기의 저주파 등가회로에는 입력결합 캐패시터 C_1과 증폭기의 입력저항 R_in, 출력결합 캐패시터 C_3와 컬렉터에서 바라본 저항 R_out 및 부하저항, 그리고 에미터 바이패스 캐패시터 C_2와 에미터에서 바라본 저항 R_in(emitter)로 구성되는 3개의 RC 회로가 형성된다.
이러한 RC 회로들로 인해 저주파 영역에서 교류증폭기의 주파수 응답 특성이 달라지게 된다. 각 RC 회로의 임계주파수에 따라 증폭기의 전압이득이 달라지며, 이로 인해 교류증폭기의 전체 저주파 응답 특성이 결정된다.""
1.2.1.2. 입력 RC 회로
입력 RC 회로는 그림 17-3에서와 같이 입력결합 캐패시터 C_1과 증폭기의 입력저항으로 구성된 회로이다. 이 회로에서 V_"base"와 V_"in"의 관계는 다음과 같다.
V_"base" = {R_"in"} over {sqrt {(R_"in" )^{2} +(X_C1 )^{2}}} V_"in" (17.1)
일반적으로 교류증폭기의 주파수 응답에서 임계주파수 f_c(Critical Frequency)는 식 (17.1)에서 R_"in"= X_C1이 만족할 때의 주파수로 정의된다. 이때 임계주파수 f_c는 다음과 같이 계산된다.
X_C1 = {1} over {2 pi f_c C_1} =R_"in" (17.2a)
f_c = {1} over {2 pi R_"in" C_1} (17.2b)
임계주파수 f_c에서 V_"base"는 V_"in"값의 0.707배이며, 데시벨로 표현하면 -3dB가 된다.
20log_{10} ( {V_"base"} over {V_"in"} )=20log_{10} 0.707 CONG -3dB (17.3)
주파수가 임계값 f_c로 감소하면 입력 RC 회로는 증폭기의 전체이득을 3dB 감소시킨다. 주파수가 계속해서 감소하면 전체이득 역시 감소하며 이를 롤-오프(Roll-off)라 한다. 주파수 f=0.1f_c인 경우, X_C1 =10R_"in"이 성립하므로 V_"base"와 V_"in"의 비를 데시벨로 표현하면 다음과 같다.
20log_{10} ( {V_"base"} over {V_"in"} ) CONG 20log_{0.1} =20dB (17.4)
식 17.4로부터 주파수가 10배씩 감소함에 따라 전체이득은 20dB씩 감소하게 되며 이를 그림 17-4의 이상적인 Bode 선도에 도시하였다.""
1.2.1.3. 출력 RC 회로
출력 RC 회로는 그림 17-5(a)에 나타낸 것처럼 출력결합 캐패시터 C_3, 컬렉터에서 바라본 저항 및 부하저항 R_L로 구성되어 있다. 컬렉터에서 바라본 출력저항을 결정하는 데 있어서 그림 17-5(b)와 같이 트랜지스터는 이상적인 전류원(무한대의 내부 저항)으로 취급되고, R_C의 위쪽은 실효적으로 교류접지된다. 따라서 캐패시터 C_3의 왼쪽 회로(점선부분의 회로)를 테브난 등가회로로 바꾸면 그림 17-5(c)와 같이 등가 전압원과 직렬저항으로 된다. 이러한 RC 회로망에 대한 임계주파수는 다음과 같다.
f_c = 1 / (2π(R_C + R_L)C_3)
이는 주파수가 증가함에 따라 캐패시터 C_3의 리액턴스가 작아져 출력에 영향을 미치게 됨을 의미한다. 즉, 출력 RC 회로의 임계주파수 f_c에서 이득이 3dB 낮아지게 된다. 이를 통해 교류증폭기의 고주파 대역폭을 결정할 수 있다.
1.2.1.4. 바이패스 RC회로
바이패스 RC회로는 그림 17-6에 나타낸 것과 같이 C_2와 에미터에서 바라다 본 저항으로 구성된다. 에미터에서 바라다 본 저항 R_{"in"(emitter)}는 테브난의 정리를 연속해서 두 번 적용함으로써 계산될 수 있다. 구체적으로 R_{"in"(emitter)} = {R_S // R_1 // R_2} over {beta_ac} + r_e^{'} 이다.
그림 17-6(b)에서 V_th(1)은 그림 17-6(a)의 베이스단에서 회로의 좌측에 대한 테브난 등가 전압을 나타낸다. 그림 17-6(c)로부터 바이패스 회로에 대한 임계주파수는 f_c = 1 over 2π(R_{"in"(emitter)} // R_E)C_2 로 결정된다.
바이패스 RC회로는 전체 교류증폭기의 저주파 응답에 영향을 미친다. 주파수가 낮은 영역에서는 에미터 바이패스 캐패시터 C_2의 리액턴스가 크기 때문에 에미터 단에서의 신호가 접지로 우회하게 된다. 따라서 증폭기의 전압이득이 감소하게 된다. 그러나 주파수가 높아지면 C_2의 리액턴스가 작아져 에미터 단이 접지로 단락되어 버리므로, 증폭기의 전압이득이 일정하게 유지된다.
즉, 바이패스 RC회로는 저주파 대역에서 증폭기의 동작을 안정화시키는 역할을 하며, 고주파 영역에서는 증폭기의 동작에 영향...
