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Ch.6 BJT 증폭기.

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1 Ch.6 BJT 증폭기

2 증폭기 (amplifier) 참고:

3 증폭기 (amplifier) 이득과 전달특성곡선 (transfer characteristics curve)

4 증폭기 (amplifier) 증폭기 이득의 표현 방식 – 데시벨 (dB)

5 6-1 증폭기의 동작 교류량 DC: IC, IB, VC, VB , RE …..
AC: 실효값, 첨두값, 첨두간 전압, 전류….. Ic, Ib, Vc, Vb , Re .. 순시값: ic, ib, vc, vb ….. 첨두간 전압 평균값 실효값 첨두값

6 6-1 증폭기의 동작 소신호 증폭기 C1, C2, C3: DC 차단 (결합 캐패시터)

7 6-1 증폭기의 동작 그래프 해석

8 6-1 증폭기의 동작 A. 첨두간 컬렉터 전류 Q. Q점이 베이스 전류인 50A를 중심으로 상하 10A씩변화.
첨두간 컬렉터 전류와 첨두간 컬렉터-이미터 전압은? Ex.6-1 A. 첨두간 컬렉터 전류 6mA ~ 4mA 첨두간 컬렉터-이미터 전압 1V ~ 2V

9 6-2 트랜지스터 교류 등가회로 Q. IE=2mA, r’e ? A. r parameter의 등가회로
r’c : 교류 컬렉터 저항 - 수백 k => open r’b : 교류 베이스저항 - small => 무시가능 r’e : 교류 이미터저항 - 순방향 바이어스 된 emitter에서 본 저항 r 파라미터 등가회로 단순화된 r 파라미터 등가회로 Q. IE=2mA, r’e ? A. Ex.6-2

10 6-2 트랜지스터 교류 등가회로 직류  (DC)와 교류 (ac) Ic/Ie
직류  (DC)와 교류  (ac) Ic/Ib의 관계도 마찬가지…

11 6-2 트랜지스터 교류 등가회로 V1 V2 I1 I2 h parameter output(port 2) short
상대적으로 측정이 쉬워 제조회사에서 주로 취급 V1 = h11I1 + h12V2 I2 = h21I1 + h22V2 output(port 2) short 2-port Network V1 V2 I1 I2 input (port 1) open 입력 출력 AC ground 공통이미터 (common emitter) B C E 공통켈렉터 (common collector) 공통베이스 (common base)

12 6-3 공통 이미터 증폭기 높은 전류, 전압 이득 DC 분석  Q점 도출 (바이어스의 안정성)
AC분석  입력저항, 출력저항, 전압이득 (전압이득의 안정성)

13 6-3 공통 이미터 증폭기 직류해석 RIN = R2||RIN(BASE) = R2|| DCRE
커패시터 OPEN 교류신호제거 직류해석 RIN = R2||RIN(BASE) = R2|| DCRE If DCRE >> R2  RIN  R2 VE = VB - VBE IE = VE/RE  IC VC = VCC – ICRC VCE = VC – VE = VCC – ICRC – IERE = VCC – IC(RC+RE) RIN Recall Ch.5 !

14 6-3 공통 이미터 증폭기 acIb r’e AC 분석 c Vin b e C1, C2, C3  short
직류전원  AC ground (교류접지) 교류 등가회로 Vin acIb r’e c b e

15 6-3 공통 이미터 증폭기 Rin Rin(base) Rout Base에서의 ac 전압 Vb 입력저항
Rin = R1||R2||Rin(base) 출력저항 Rout = RC Rin Rin(base) Rout

16 Rin = R1||R2||Rin(base) =22 k ||6.8 k ||1.05 k =873 
6-3 공통 이미터 증폭기 Ex.6-3 Q. 그림은 증폭기의 교류등가회로이다. IE=3.8mA일 때 교류입력저항 Rin과 Vb를 구하라 A. Rin = R1||R2||Rin(base) =22 k ||6.8 k ||1.05 k =873 

17 6-3 공통 이미터 증폭기 Rin 전압 이득 신호원의 감쇠를 고려한 전체전압이득 음의 부호는 출력이 입력에 비해
180o 반전됨을 의미

18 6-3 공통 이미터 증폭기 전압이득에서 Emitter Bypass Capacitor 의 영향  Av 감소 있으면
바이패스 커패시터의 용량이 충분히 커야 하며 10XC  RE 이면 무시가능 없으면 교류해석 시에 RE를 고려해야  Av 감소

19 6-3 공통 이미터 증폭기 Ex.6-4 Q. 이미터 바이패스 커패시터의 최소값을 구하라. 증폭기는 2kHz ~ 10kHz 주파수 범위에서 동작한다. A. 10XC  RE XC =RE/10=560  /10=56 커패시턴스 값은 최소주파수 2kHz에서 결정됨 Ex.6-5 Q. 위의 회로에서 바이패스 커패시터의 유무에 따른 전압이득을 구하라. C2 없는 경우 C2 있는 경우 A.

20 6-3 공통 이미터 증폭기 부하의 영향 Rout = RC||RL Q. 부하저항 5k , r’e=6.58  전압이득?. A.
부하 RL 없으면 Rout = RC 부하 RL 있으면 Rout = RC||RL  Av 감소 Rout = RC||RL Let, Rc=RC||RL Ex.6-6 Q. 부하저항 5k , r’e=6.58  전압이득?. A. Cf) 무부하 이득

21 6-3 공통 이미터 증폭기 전압이득의 안정성 r’e 는 IE에 의존하며 온도에 따라 변화한다
바이패스를 갖는 RE  Av = Rout/r’e 온도증가  r’e 증가  Av 감소 바이패스를 갖지 않는 RE  Av = Rout/(r’e+RE) r’e 영향 감소 RE >> r’e  Rout/RE  Av 감소하지만 r’e 영향은 없다.

22 6-3 공통 이미터 증폭기 r’e 스왐핑 (swamping) 바이패스를 갖는 RE 와 바이패스를 갖지 않는 RE 의 절충형

23 6-3 공통 이미터 증폭기 공통 이미터 증폭기의 위상반전 출력신호 Vout은 입력신호 Vin에 180 º 위상 반전

24 6-3 공통 이미터 증폭기 Q. (a) 직류 컬렉터전압 (b) 교류 컬렉터전압 (c) 전체 컬렉터 전압 및 파형을 구하라.
Ex.6-8 Q. (a) 직류 컬렉터전압 (b) 교류 컬렉터전압 (c) 전체 컬렉터 전압 및 파형을 구하라. 직류등가회로 (a) RIN(base) >>10R2  직류 베이스전압 무시 가능 VE = VB – VBE=1.75V-0.7V=1.05V IE = VE/(RE1 +RE2 )=1.05/940=1.12mA VC = VCC – ICRC =10V-(1.12mA)(4.7k)=4.74V

25 6-3 공통 이미터 증폭기 (b) Ex.6-8 계속 전체 전압이득 Rin = R1||R2||Rin(base)
=44 k ||10 k ||86.1 k =7.53  신호원의 실효전압이 10mV이라면 컬렉터의 실효전압은 Vc=A’vVs=(8.45)(10mV)=84.5mV

26 6-3 공통 이미터 증폭기 (c) 전체 컬렉터 전압 = 직류+교류 = VC +Vc = 4.74V+84.5mVrms
Ex.6-8 계속 전체 컬렉터 전압 = 직류+교류 = VC +Vc = 4.74V+84.5mVrms (cf.) 84.5mVrms  (84.5mVrms)(1.414)=119mV Max Vc(p)=4.74V+119mV =4.86 V Min Vc(p)=4.74V-119mV =4.62 V 전체 컬렉터 전압 출력교류전압 Vout 신호원 Vs

27 6-3 공통 이미터 증폭기 Ic 전류이득 전체전류이득 Ib Is Rin(base) 전력이득 전체전력이득 Ap = A’iA’v

28 6-4 공통 컬렉터 증폭기 Emitter follower 전압이득 전압이득 = 1, 높은 입력저항과 전류이득  버퍼로 이용
교류등가회로 Ib Ie Let, Re=RE||RL 전압이득  (Re >> r’e )

29 6-4 공통 컬렉터 증폭기 출력저항 입력저항 Ib Ie Rin(base) Rin Re=RE||RL
부하를 제거하고 이미터 플로어의 이미터를 본 저항은? RE >> r’e이므로 r’e에 걸린 전압을 무시하면 최종 출력저항 입력저항 Rin(base) = Vin/Iin = Ie(r’e+Re)/Ib = acIb(r’e+Re)/Ib = ac(r’e+Re) = acRe ( Re >> r’e) Rin = R1||R2||Rin(base) ( R1, R2 >> Rs 가정) Ib Ie Rin(base) Rin Re=RE||RL

30 6-4 공통 컬렉터 증폭기 전류 이득 전력 이득 Ib Ie Rin Rin(base) Re=RE||RL
Ap = AiAv Av1 이므로 Ap  Ai ( R1, R2 >> Rin(base)) Ib Ie Rin(base) Rin Re=RE||RL

31 6-5 공통 베이스 증폭기 Q. 전체입력저항, 전압이득,전류이득, RL에 유도된 전력을 구하라, 단 ac=175 A.
Ex.6-9 Q. 전체입력저항, 전압이득,전류이득, RL에 유도된 전력을 구하라, 단 ac=175 A. Re = RE||RL =1.0 K||1.0 K=500 K Rin(base) acRe =(175)(500 )=87.5 K Rin = R1||R2||Rin(base) =18 K|| 18K||87.5 K=8.16 K VE = VB – VBE = 5V - 0.7V = 4.3V IE = VE/RE  4.3V/1.0K=4.3mA

32 6-4 공통 컬렉터 증폭기 달링톤 회로 총 전류이득 ac = ac1 ac2 Rin(base1)= ac1 ac2RE
Darlington 회로  입력 임피던스 증가시키기 위한 방법 총 전류이득 ac = ac1 ac2 Rin(base1)= ac1 ac2RE CC Amp.에서 Rin(base) = acRe Rin(BASE1)

33 6-4 공통 컬렉터 증폭기 Darlington 회로 – AC 분석 Re=RE||RL Buffer로 사용

34 6-4 공통 컬렉터 증폭기 응 용 [예]공통이미터 증폭기로 저전력 스피커와 같은 작은 저하을 갖는 부하를 구동시킨다. Let.
CE Amp. 에서 r’e = 5 RC=1k 스피커 RL=8 만약 스피커 (부하 RL) 없이 CE Amp. 만의 전압이득은 Av = RC/ r’e= 1k/ 5 =200 CE증폭기와 스피커가 직접 연결되었다면 Rc = RC||RL = 1k||8 = 7.94  Av = Rc/r’e = 7.94/5 = 0.16 전압이득의 급격한 감소

35 6-4 공통 컬렉터 증폭기 Darlington 회로의 응용
Emitter follower를 buffer로 이용 (증폭기와 스피커 간의 인터페이스) Av = 200 최종 출력에서 봤을 때 전압이득 =200  CE증폭기의 전압이득을 그대로 전달할 수 있다

36 6-4 공통 컬렉터 증폭기 Q CE Amp. 에서 VCC=12V, RC=1k, r’e = 5 Ex.6-10 DC해석
다링톤 이미터 폴로어에서 R1=10k, R2=22k, RE=22, RL=8, VCC=12V, DC=AC=100 DC해석 먼저 다링톤의 r’e 을 구하자 Recall. 전압분배 바이어스에서 RIN(BASE)=DCRE RIN(BASE1) 먼저 다링톤의 r’e 을 구하자

37 6-4 공통 컬렉터 증폭기 Ex.6-10 계속 Rin(base1) Rin(EF) AC 해석
Rin(base1)=2ac(r’e+Re) Rin(EF) = R1||R2||Rin(base1) = 10k||22k|| (1002)(83m+22||8) = 6.16k CE Amp. 에서 Rc= RC||Rin(EF) = 1k||6.16k = 860  Av(CE) = Rc/r’e = 860/5 =172 EF에서 Re= RE||RL Av(EF) = Re/(r’e + Re) =(5.87)/(83m+5.87) =0.99 전체전압이득 Av = Av(CE)Av(EF) = (172)(0.99) = 170 만약 CE증폭기에 스피커가 직접 연결됐다면 이득은 앞에서와 같이 1.59가됨 Ex.6-10 계속 Rin(base1) Rin(EF) Recall CE Amp. Recall CC Amp.

38 6-5 공통 베이스 증폭기 높은 전압 이득, 전류이득=1
입력 저항이 낮기 때문에 신호원의 출력 저항이 매우 낮은 곳에서 응용이 적절 입력과 출력 신호는 동상

39 6-5 공통 베이스 증폭기 전압이득 입력저항 출력저항 전류이득 Ai = Ic/Ie  1 전력 이득 Ap = AiAv

40 6-5 공통 베이스 증폭기 Q. A입력저항, 전압이득, 전류이득, 전력이득을 구하라. A. Ex.6-11
r’e 를 구하기 위해 IE를 구한다. 이때 Rin r’e 이며 DCRE >> R2 이므로 VE = VB – VBE = 1.76V - 0.7V = 1.06V IE = VE/RE  1.06V/1.0K=1.06mA 전압이득은 다음과 같다. A.

41 6-6 다단증폭기 다단 증폭기의 이득 데시벨 이득 (dB) Q. Av1=10, Av2=15, Av3 =20 ,전체전압이득?
Av(dB) = 20logAv Av(dB) = Av1(dB)+Av2(dB) …+Avn(dB) Av = Av1Av2 …Avn Ex.6-12 Q. Av1=10, Av2=15, Av3 =20 ,전체전압이득? A. A’v = Av1Av2Av3 =(10)(15)(20 )=3000 Av1(dB) =20log10=20.0dB Av2(dB) =20log15=23.5dB Av3(dB) =20log20=26.0dB A’v(dB) =20.0dB+23.5dB+26.0dB=69.5dB

42 6-6 다단증폭기 다단 증폭기의 해석 DC 해석: Q1은 CE와 동일 C3는 앞 단의 직류바이어스 다음 단에 미치지 않도록함
Q2는 Q1 해석과 동일

43 6-6 다단증폭기 DC 해석 : 전압분배 바이어스 C3에 의해 앞 단과 뒷 단이 서로 차단됨
첫째 단 (Q1) 해석  둘째 단도 동일 IB1 IE1 VB1 VE1 VC1 VB1 = [R2 /(R1 + R2)]VCC = [47k /(47k +10k)](10) = 1.75V VE1 = VB1 – VBE1 = 1.75 –0.7 = 1.05V IE1 = VE1/R4 = 1.05/1k = 1.05 mA  IC1 ( r’e1 = 25m/IE = 25m/1.05m = 23.8 ) VC1 = VCC – IC1R3 = 10 – (1.05m)(4.7K) = 5.07V VCE1 = VC1 – VE1 = 5.07 – 1.05 = 4.02V

44 6-6 다단증폭기 AC 해석 Rin(base2) = ac r’e2 = (150)(23.8) = 3.57 k
Q1의 전압 이득 Av1 Rc1 = R3||R5||R6||Rin(Q2) = 1.63 k Av1 = Rc1/r’e1 = 1.63k/23.8 = 68.5 Q2의 전압 이득 Av2 Av2 = R7/r’e2 = 4.7k/23.8 = 197 총 전압이득 Av = Av1Av2= (68.5)(197) = 13,495 Av(dB) = 20logAv= 20log(13495) = 82.6 dB Rin(base2)

45 6-6 다단증폭기 직접 결합된 다단증폭기 장점 : 용량성 결합형보다 저주파 응답특성이 우수
용량형의 경우 저주파에서 커패시터의 리액턴스가 큰 값을 갖음  이득감소 단점 : 온도 및 전원의 변화가 직류바이어스에 영향을 주며 이전압의 작은 변화는 다음 단에서 증폭됨  바이어스 레벨에 심각한 드리프트 초래 할 수 있음

46 6-7 차동 증폭기 회로 및 기호

47 6-7 차동 증폭기 기본동작 가정: Q1 Q2, Rc1 = Rc2 Input 1 = Input 2 = 0 V (접지)
VBE = VB - VE = -VE = 0.7 V  VE = -0.7 V IE1 = IE2 = IRE/2 IC1  IE1 IC1 = IC2  IRE/2 VC1 = VC2 = VCC - IC1RC1

48 6-7 차동 증폭기 Input 1 = VB1 ( > 0) , Input 2 = 0 V
VB1   IC1   VC1  (=VCC - IC1RC1 이므로)  VE (= VB – 0.7) Q2의 VBE (= 0 – VB + 0.7)   IC2   VC2  Input 1 = 0 V; Input 2 = VB2 ( > 0) VB2   IC2   VC2   VE (= VB – 0.7) Q1의 VBE (= 0 – VB + 0.7)   IC1   VC1 

49 6-7 차동 증폭기 신호 동작 모드 단일 입력 (single-ended): 한쪽 입력, 다른쪽 접지

50 6-7 차동 증폭기 신호 동작 모드 차동 입력 (differential-ended): 서로 다른 두개의 입력

51 6-7 차동 증폭기 신호 동작 모드 동상 모드  동상 신호 제거( common-mode rejection)

52 6-7 차동 증폭기 신호 동작 모드 Q. A v(d) = 2000, Acm = 0.2  CMRR? A.
동상신호 제거비 (Common-mode rejection ratio: CMRR): 원하는 신호는 증폭  출력: 높은 이득 (수천) 잡음은 동상모드 제거  출력 ~ 0 (이득 ~0) 차동증폭기 성능 결정의 중요한 기준  CMMR high : good  CMMR low: bad A v(d) : 차동 전압이득 Acm : 동상 모드 이득 Ex.6-13 Q. A v(d) = 2000, Acm = 0.2  CMRR? A.

53 6-7 차동 증폭기 Ex.6-14 Q A v(d) = 2,500, CMRR = 30,000 , Vin1 = 500 Vrms, 간섭신호 Vcm = 1 Vrms 60 Hz (a) (b) (c) (d)


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