공통 소스 증폭기(Common - Source amplifier) 실험 해설

 

안녕하세요 배고픈 노예입니다.

오늘은 공통 소스 증폭기실험에 대한 해설을 하려 합니다.

 

이번 실험의 주제는 아래와 같습니다.

 

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실험 목표

 

1. 대신호와 소신호의 분류

 

2. 실험 회로 해석

 

3. 실험 오차

 

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 대신호와 소신호의 간단한 분류

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흔히 우리가 어떠한 능동 소자 (active device)를 실험할 때 항상 같은 방법으로 실험을 하고 있지만 저도 또한 학부때는 생각 없이 DC 몇~ AC 몇~ 해서 실험을 했었는데

 

전자회로 실험에서 크게 분류되는 두 실험은 "대신호(Large Signal)" 와 "소신호(Small Signal)"로 나뉩니다.

 

그러면 대신호와 소신호의 정의를 정말 간단하게 생각했을 때 이 둘을 판가름 하는 방법은 그냥 DC와 AC 입니다.

 

 

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실험 회로

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 MOS amp의 CS

 

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실험회로의 구성원들 해석

 

위 사진에서 Vsig는 AC 신호를 인가하는 단자(port)라고 보시면 되고 VGG는 DC 서플라이에서 공급되는 전압입니다

(대신호 해석을 할때는 DC Supply로만 실험을 하지만, AC를 인가하면 Function Generator로 DC를 인가해주기 때문에 DC supply 는 AC를 인가할 때 사용하지 않습니다.)

 

RGG는 입력되는 Supply에서 생기는 공급 전압 저항을 의미한 것입니다.

Rd는 부하 저항입니다 아랫첨자 "D"의 의미는 드레인 쪽에 저항이 있기 때문에 Rd로 표현을 하게 된 것입니다.

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구성원들을 해석을 했으니 이제 대신호와 소신호에 대해서 알아봐야 하는데 대신호와 소신호는 중요한 부분이니 꼼꼼히 읽어보시기 바랍니다.

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대신호는 무엇을 확인 할 수 있을까?

 

1. 출력 전압(Vo, 또는 Vout)을 확인 할 수 있고

 

2. 게이트 전압의 변화 폭이 크다면 동작 영역도 다를테니까요 

 

(Vdd는 고정된 값) 게이트의 전압, 저항의 값을 변경하면 Vout의 결과도 달라집니다. 출력 전압은 아래와 같습니다.

$$V_{out}=V_{DD} - I_D * R_D ... Eq(1)$$

 

식(1)에서 "부하저항"과 전류의 양에 다라 달라짐을 알 수 있는데 전류의 양을 조절하려면 게이트의 전압을 통해 조절할 수 있고, 부하저항이 가변(variable)이 된다면 출력 전압이 바뀔 수 있겠죠

 

게이트 전압을 증가시켰을 때 생기는 변화(0 V 부터 10V 까지)

 

부하 저항의 값을 증가시켰을 때 변화(1k 부터 100k까지)

게이트 전압에 따라 전류의 양이 바뀐다는 건 "MOSFET특성" 실험에서 알 수 있었죠, 이해가 가지 않았던 분들은 아래 링크를 참고하시기 바랍니다.

 

2021.07.14 - [실험 관련/전자회로 실험] - MOSFET의 동작 영역과 드레인 전류의 변화를 알아보자(실험 해설)

MOSFET의 동작 영역과 드레인 전류의 변화를 알아보자(실험 해설)

 

따라서 대신호는 직류 해석(dc analysis) 또는 바이어스 해석(bias analysis)라고 생각할 수 있습니다.

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소신호에서는 무엇을 확인 할 수 있을까?

 

MOSFET가 포화 영역(Saturation region)에 동작할 수 있게 바이어스를 설정하고 나서 "소신호" 등가회로(small signal equivalent circuit)를 통해 알 수 있는 전압 이득은 아래와 같습니다.

 

$$v_{out} = -g_mR_Dv_{in} ... Eq.(2)$$

 

식 2의 의미는 출력 전압은 입력 전압,트랜스컨덕턴스와 출력저항(Rout=Rd)의 곱만큼 위상이 반전되서 나옴을 알 수 있습니다.

(위 식은 채널길이 변조효과, body effect를 고려하지 않은 결과입니다.)

 

그 다음으로 증폭기에서 다루는 것이 전압이득이죠, 전압이득(출력전압과 입력전압의 비)로로 트랜스 컨덕턴스와 부하저항의 곱으로 표현 할 수 있습니다.

$$Av = \frac{v_{out}}{v_{in}}|=-g_mR_D... Eq.(3)$$

 

전압이득이 2인 회로를 구성하여 LTspice를 통해 시뮬레이션을 돌린 결과입니다.

모스 전류가 너무 낮게 흘러서 2배까지만

전압 이득은 주로 dB로 표현하게 되는데 이는 작은값을 크게 볼 수 있고, 큰 값은 작게 보이게 하기 위해서입니다.

dB의 표현은 아래와 같습니다.

 

$$A_{v,dB} = 20log(\frac{v_{out}}{v_{in}}|) ... Eq.(4)$$

 

시뮬레이션 과정에 대해 궁금하신 분들은 아래의 링크에 DC부터 AC까지 모든 과정이 담겨 있습니다.

 

2021.07.15 - [시뮬레이션 툴(Simulation Tool)/LTSpice] - LTspice를 이용한 공통 소스 증폭기 시뮬레이션

LTspice를 이용한 공통 소스 증폭기 시뮬레이션

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도움이 되는 정보

 

전압 이득의 표현에 대해 더 궁금하신 분들은 아래의 링크를 참조해주세요

2021.07.02 - [전자회로의 이해/Basic] - 전자회로에서 표현하는 증폭기란?

전자회로에서 표현하는 증폭기란?

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도움이 되셨나요?

 

전자회로 실험의 모든 과정은 아래 페이지를 통해 확인해 주세요

 

2021.07.15 - [분류 전체보기] - 전자회로 실험 Syllabus