[실험 02] 소신호 전압 증폭회로

학습목표:

- 트랜지스터 및 증폭기 기초지식

- 전자회로에 관한 관심(끌림, 재미, 지적 호기심)

- 전자회로 분야 상당한 실력을 배양할 수 있는 발판

실험 교재

실험회로

부품 명칭

2SC945: NPN 2극접합 트랜지스터

Vcc: 전원 전압

CO9796: 컨덴서 마이크로폰

Rm: 마이크 바이어스 저항

C_B: 입력 커플링 커패시터

R₁, R₂: 베이스 바이어스 저항

R_E: 이미터 피드백 저항

C_E: 이미터 바이패스 저항

R_C: 증폭기 출력저항

C_C: 출력 커플링 저항

R_L: 부하저항

I. 알아야 할 내용

- 트랜지스터 구조 및 동작원리: 전류증폭 개념

- 트랜지스터 바이어스: 트랜지스터 동작영역, 바이어스 개념, 피드백 바이어스 개념

- CE 증폭기 원리: 전압이득, 최대 출력전압

- 커플링/바이패스 커패시터의 사용

- 컨덴서 마이크로폰의 사용

II. CE(common emitter) 증폭기 동작원리

1. 심화 자율학습: 공부자료 1(한글), 공부자료 2(다수, 영문), 공부자료 3(주파수특성, 영문)

2. 강의시간 설명

1) BJT 구조 및 동작원리

베이스, 이미터, 컬렉터, NPN, PNP

BJT 동작원리: 전류증폭 개념

2) 트랜지스터 바이어스

바이어스: 트랜지스터가 동작하도록 적절하 DC 전압/전류가 트랜지스터에 인가된 상태로 유지하는 일

활성영역: 트랜지스터가 증폭기로 동작하는 영역

활성영역 바이어스: 베이스-이미터 접합 = 순방향 전압 인가, 컬렉터-베이스 접합 = 역방향 전압 인가

활성영역에서의 트랜지스터 동작:

바이어스의 결과로 emitter 전류가 대부분 collector로 흐른다.

Collector 전류는 base 전류의 β 배(30-300배)로 base 전류에 비례한다.

트랜지스터의 Base 전류를 제어하여 collector 전류를 제어할 수 있다 → 이 성질을 이용하여 증폭기를 만들 수 있다.

바이어스 회로

아래 회로에서 DC 바이어스는 V_CC, R₁, R₂, R_E, R_C에 의해 결정: BE = 순, CB = 역

DC 등가회로: 커패시터 개방, 소신호 전압 단락

R₁과 R₂는 베이스에 전압제공

R_E는 온도변화에 따라 컬렉터 전류가 계속 증가/감소를 억제하는 negative feedback용 저항

I_R2 << I_B 라 가정 (이것이 만족되도록 R1, R2, Vcc 설계)

베이스 전압 계산:

이미터 전압 계산:

(V_BE를 0.6-0.7V 사이의 값 사용함)

이미터 전류 계산:

컬렉터 전압 계산:

컬렉터-이미터 전압 계산:

3) CE 증폭기 원리

CE(common emitter): 입력전압과 출력전압이 E을 공유(E가 접지와 연결)

활성영역에서 동작하도록 DC 바이어스 인가

신호전압이 베이스에 인가되고 신호의 베이스 전류를 흐르게 이 전류가 증폭되어(100배) 컬렉터 저항에 흐름으로써 증폭된 전압이 컬렉터에 나타난다.

소신호 등가회로:

커패시터 단락, DC 전원 단락, 신호원을 테브닌 등가회로로 표현(v_s, R_s)

트랜지스터를 간략화된 등가회로로 표시: h_ie, h_fe, 1/h_oe (트랜지스터 마다 주어지는 값)사용

2SC945 규격서

: 200

: 5kW

: 50kW

입력 저항:

: 6.6k || 1.5k || 5k = 982W

출력 저항:

: 50k || 1k = 980W

전압 이득:

(출력전압)

(전압이득): A_v = -39.2
4) 커플링/바이패스 커패시터의 사용

커플링/바이패스 커패시터 역할: DC 전류는 차단하고 AC 전류는 자유롭게 흐르게 한다.

커패시턴스 값:

1) 증폭기의 이득에 영향을 주지 않을 정도록 큰 값: (0.1배 이하)

2) 저주파 차단 주파수를 고려하여 설정: 저주파 차단 주파수

전해 커패시터의 사용:

- 1mF 이상의 대용량 커패시터는 극성이 있는 전해 커패시터이다.

- 이 경우 DC 바이어스 전압에 의해 (+) 단자에 양의 전압이 충전되도록 연결한다.

4) 컨덴서 마이크로폰의 사용

- 종류:

True capacitor condenser microphone

Electret capacitor condenser microphone: 대부분의 컨덴서 마이크

- 사용법:

동작시키려면 외부에서 전원을 인가해야 한다. 컨덴서 규격서를 잘 확인하여 최대 감도를 내도록 결선하여 사용.

True Capacitor Microphone:

구조:

1 = 음파, 2 = 진동극판, 3 = 고정 극판, 4 = 바이어스 전압, 5 = 바이어스 저항 (저항 양단에 마이크로폰 출력전압의 AC 성분이 DC 성분에 실려서 나타난다.

C = 5-100pF, R = 0.1-100GW

동작원리:

평행판 커패시터의 극판이 음파에 의해 진동 → 극판 간격 변경 → 커패시턴스 변경 → 커패시턴스 양단전압 변경(커패시터 전하 = 일정, DC 바이어스에 의해)

(Samson CL8 true capacitor condenser microphone, professional studio grade)

2) ECM(Electret Condenser Microphone)

- Electret = electrostatic magnet = 안정적인 유전체 (영구적으로 내포된 정전하가 물질내부에 포함되어 있다)

- 동작원리: 영구전석(electret) 판과 평행하게 pick-up plate를 설치하고 전석을 진동시키면 픽업판에 전압이 유도되고 이 전압이 JFET에 의해 증폭됨.

영구전석의 예 = metalized mylar(폴리에스터) film

- 장점: 저가, 광대역(10-30,000Hz) 특성, 고감도

- 용도: 마이크 중 가장 널리 사용. 고품질 녹음, 클립형 소형 마이크(lavalier), 전자장치(스마트폰)/전화기 내장 마이크로폰

구조:

Electret Condenser 마이크의 사용:

아래 그림과 같이 저항을 통해 내부 JFET에 바이어스를 인가하고 마이크의 출력을 커패시터를 통해 뽑아 낸다.

Canopus CO9767 ECM 규격서 : V = 4.5V, R = 2.2kW, 50Hz-16kHz, -44dBV/Pa @ 1kHz

3. 예비과제

4. 실험방법

1) 트랜지스터 전압 증폭 회로를 브레드보드에 구성하라. 입력 신호를 연결하지 않은 상태에서 트랜지스터의 직류 전압 V_B, V_C 및 V_E을 오실로스코프로 관찰하라. 또한 바이어스 전압 V_CE 및 전류 I_C를 계산하여 아래 표에 기록하라.

	VB	VC	VE	VCE	IC
이론치
실험치

2) 1)번 실험에서 트랜지스터의 에미터 콘덴서 C_E를 제거하고 함수발생기로 입력 신호10mV 1kHz신호를 넣는다. 그리고 입력 전압과 출력 전압 파형을 오실로스코프로 관찰하라. 또한 교류 전압 증폭율 A_V=V_out/V_in을 계산하여 아래 표에 기록하라.

	Vin	Vout	AV
이론치	10mV
실험치	10mV

3) 2)번 실험에서 에미터 콘덴서 C_E = 10uF을 삽입하고 (2)번 실험을 반복하라.

4) 3)번 실험에서 함수발생기를 제거하고 콘덴서 마이크를 삽입한 후 여러 소리를 넣었을 때 출력전압 파형을 오실로스코프로 관찰하라.

5) 회로의 동작원리를 보다 깊이 이해하기 위해 회로상의 여러 점에서 AC 신호 파형을 기록하라.

6. 실험보고서

1) 실험과정에서 배운 내용을 기술하라.

2) 실험을 하면서 느낀 문제점 및 해결방안을 제시하라.

3) 실험결과 측정치와 이론치를 비교하라.

7. 실력배양 자료

BJT self-study 자료