정보통신실험

03주 - 소신호 증폭기

I. 이론

1. 학습목표

1) 소신호 증폭기 용도 이해

2) BJT CE 증폭기 동작원리 이해

3) BJT CE 증폭기 해석능력 습득

2. 소신호 증폭기

1) 소신호

- 소신호(미약신호): 센서신호, 수신된 통신신호, 생체신호, 물리/화학현상 신호

- 소신호 크기: 거의 잡음 수준

<그림> 잡음에 섞인 신호 (청: 잡음, 적: 신호)

<그림> 상: 잡음 only, 하: 잡음 + 신호

ㅇ 필터를 사용하여 잡음을 제거

ㅇ 증폭기로 작은 신호를 증폭

<그림> 주파수 영역 분석 (좌: 잡음 only, 우: 잡음 + 신호)

3. 소신호 증폭기 사례

1) 무선통신 수신기

- 저잡음 증폭기 (LNA; low noise amplifier)

<그림> 전파 수신기 (전파망원경, 무선통신 송수신기) 블럭도

2) 센서 전단증폭기 (pre-amp)

<그림> 센서 전단증폭기

<그림> Electret/MEMS 마이크로폰 전단증폭기

4. BJT CE 증폭기 동작원리 및 회로해석

1) 회로도

<그림> BJT CE 증폭기

v_s = 1 kHz, zero offset, 100 mVpp with A-A' terminal open-circuited

R_s = 50 Ω, C_i = 0.1 μF, R₁ = 200 kΩ, R₂ = 33 kΩ, R_C = 4.7 kΩ

R_E = 750 Ω, C_E = 1 μF, C_C = 0.1 μF, R_L = 10 kΩ, Q₁ = 2SC945, V_CC = 12 VDC

2) CE(common emitter) amplifier (공통 이미터 증폭기)의 특징

- 용도: 저주파 전압증폭, RF 트랜시버, 저잡음증폭기

- 특징:

입력임피던스 = Low, 출력임피더스 = High, 전력/전압/전류이득 = High

주파수특성: 고주파에서 동작하지 않음.

전압이득: 불안정(온도변화)

3) CE 증폭기 동작원리

ㅇDC 바이어스:

- 베이스-이미터 접합 = 순방향 바이어스

- 베이스-컬렉터 접합 = 역방향 바이어스

- 컬렉터 정압: V_cc의 약 1/2. 선형성을 유지하면서 출력전압의 크기를 최대로 하기 위해

- R₁, R₂, R_E는 베이스 DC 바이어스 전류 결정

ㅇAC 증폭

- 커플링 커패시터(C_i, C_c): 신호 주파수에서 매우 낮은 임피던스 (단락으로 취급)

- 신호전압 v_s에 비례하여 베이스 전류 i_b 변화가 크게(50-200배) 증폭되어 컬렉터 전류 i_c 로 흐름.

- 컬렉터 전류의 일부가 R_L에 흘러서 출력전압으로 나타난다.

- 이미터 커패시터 C_E는 이미터 저항에 의한 이득저하를 감소시킴.

4) CE 증폭기 DC바이어스 해석

<그림> CE 증폭기 바이어스 해석

- 베이스-이미터 접합: 순방향 바이어스. 전압제어 전류증폭

- 베이스-컬렉터 접합: 역방향 바이어스

- DC 회로: 전체 증폭기 회로에서 커패시터로 연결된 선로를 제거

- 회로이론 적용 I_B공식 유도:

- 트랜지스터: DC 공식 적용

= 120-200 @ I_C = 0.02-2 mA (2SC945 데이터시트로부터)

Use = 200 @ I_C = 1 mA

5) BJT 증폭기 교류 해석

- 간략한 교류 등가회로 사용

<그림> BJT의 간략한 교류 등가회로

ㅇ 커패시터를 포함한 해석

<그림> BJT CE 증폭기 full equivalent circuit

(for 2SC945 트랜지스터)

(input impedance)

(voltage gain)

(current gain)

Output impedance: 전원전압 = 0, 부하저항 = ¥ 인 상태에서 출력단의 임피던스

위 수식을 프로그래밍하여 계산:

ㅇ 커패시터를 생략한 해석

<그림> BJT CE 증폭기 simplified equivalent circuit

(전압이득)

(입력저항)

(전류이득)

Output impedance: 전원전압 = 0, 부하저항 = ¥ 인 상태에서 출력단의 임피던스