전자회로실험 과탑 A+ 예비 보고서 (실험 14 캐스코드 증폭기)

문서 내 토픽

• 1. 캐스코드 증폭기

  캐스코드 증폭기는 고주파 증폭에서 자주 사용되는 구조로, 출력 저항을 증가시키고 고주파 특성을 개선하는 데 효과적이다. 이 회로는 두 개의 MOSFET을 사용하여, 첫 번째 트랜지스터가 신호를 증폭하고, 두 번째 트랜지스터가 출력을 처리하는 방식으로 동작한다. 캐스코드 증폭기의 전압 이득은 대략적으로 A_v = g_m * R_D로 나타낼 수 있으며, 캐스코드 구조 덕분에 매우 크게 나타날 수 있다. 캐스코드 증폭기는 주로 고주파 증폭기와 대역폭이 중요한 회로에서 자주 사용되며, 신호 왜곡이 적고 안정적인 성능을 보인다.

• 2. MOSFET 바이어스 회로

  캐스코드 증폭기 회로에서는 두 번째 MOSFET M_2의 게이트를 일정한 DC 전압 V_GG로 바이어스하여 신호 전압에 반응하지 않게 하고, 전류 소스 역할을 하도록 한다. 이를 통해 높은 출력 저항과 함께 트랜지스터의 채널 길이 변조 효과를 최소화할 수 있다.

• 3. 소신호 등가 회로

  캐스코드 증폭기의 전압 이득은 소신호 등가 회로를 이용하여 계산할 수 있다. 포화 영역에서 동작하는 경우 M_1, M_2의 트랜스컨덕턴스 g_m과 출력 저항 r_o를 구하고, 이를 이용하여 전압 이득을 계산할 수 있다.

• 4. 입력 저항 및 출력 저항 측정

  캐스코드 증폭기의 입력 저항과 출력 저항을 직접 측정할 수 있다. 입력 저항은 입력의 DC 전압을 변화시키면서 입력 쪽에 흘러 들어가는 DC 전류를 측정하여 구할 수 있다. 출력 저항은 입력에 0V를 인가하고, 출력 쪽에 DC 전압을 변화시키면서 출력 쪽에 흘러 들어가는 DC 전류를 측정하여 구할 수 있다.

• 5. 공통 소스 증폭기와의 비교

  실험회로 1에 제시된 공통 소스 증폭기와 캐스코드 증폭기의 전압 이득, 입력 임피던스 및 출력 임피던스를 이론적으로 계산하고 PSpice 모의 실험 결과와 비교할 수 있다. 공통 소스 증폭기의 전압 이득은 -g_m1 * r_o1로 계산되며, 캐스코드 증폭기의 전압 이득은 이보다 훨씬 크게 나타난다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. 캐스코드 증폭기

  캐스코드 증폭기는 단일 트랜지스터 증폭기에 비해 높은 입력 저항, 낮은 출력 저항, 높은 이득 등의 장점을 가지고 있습니다. 이는 캐스코드 구조가 트랜지스터의 내부 저항을 감소시키고 전압 이득을 높이는 데 효과적이기 때문입니다. 또한 캐스코드 증폭기는 낮은 노이즈와 높은 대역폭 특성을 가지고 있어 고주파 회로 설계에 널리 사용됩니다. 다만 구조가 복잡하고 전력 소모가 높다는 단점이 있습니다. 따라서 응용 분야와 요구 사항에 따라 캐스코드 증폭기의 장단점을 고려하여 적절히 활용할 필요가 있습니다.

• 2. MOSFET 바이어스 회로

  MOSFET 바이어스 회로는 MOSFET의 동작 영역을 제어하여 안정적인 동작을 보장하는 중요한 회로입니다. 바이어스 회로는 MOSFET의 게이트-소스 전압(VGS)을 적절히 설정하여 MOSFET이 원하는 동작 영역(예: 선형 영역, 포화 영역)에서 동작하도록 합니다. 이를 통해 MOSFET 증폭기의 이득, 왜곡, 전력 소모 등의 특성을 최적화할 수 있습니다. 바이어스 회로 설계 시 고려해야 할 주요 요소로는 MOSFET의 문턱 전압, 바이어스 전압원, 바이어스 저항 등이 있습니다. 이러한 요소들을 적절히 선택하여 MOSFET 바이어스 회로를 설계하는 것이 중요합니다.

• 3. 소신호 등가 회로

  소신호 등가 회로는 전자 회로 분석에서 매우 중요한 개념입니다. 이 회로는 복잡한 전자 회로를 단순화하여 분석할 수 있게 해줍니다. 소신호 등가 회로는 회로 내 능동 소자(예: 트랜지스터)의 동작을 선형화하여 등가 회로로 표현합니다. 이를 통해 회로의 이득, 입력 저항, 출력 저항 등의 특성을 쉽게 분석할 수 있습니다. 소신호 등가 회로 분석은 증폭기, 필터, 발진기 등 다양한 전자 회로 설계에 활용됩니다. 따라서 소신호 등가 회로에 대한 이해와 활용 능력은 전자 공학 분야에서 매우 중요합니다.

• 4. 입력 저항 및 출력 저항 측정

  입력 저항과 출력 저항은 전자 회로의 중요한 특성 지표입니다. 입력 저항은 회로의 입력단에 연결된 부하가 회로에 미치는 영향을 결정하며, 출력 저항은 회로의 출력단에 연결된 부하와의 정합 관계를 결정합니다. 이러한 저항 특성을 정확히 측정하는 것은 회로 설계와 분석에 필수적입니다. 입력 저항 측정 시에는 전압 분배 원리를, 출력 저항 측정 시에는 전압-전류 특성 분석을 활용할 수 있습니다. 측정 결과는 회로의 이득, 대역폭, 안정성 등 다양한 성능 지표와 직결되므로 정확한 측정이 중요합니다. 이를 위해 측정 환경과 방법을 세심히 고려해야 합니다.

• 5. 공통 소스 증폭기와의 비교

  공통 소스 증폭기와 캐스코드 증폭기는 MOSFET 증폭기의 대표적인 두 가지 구조입니다. 이 두 증폭기는 각각 장단점을 가지고 있어 응용 분야에 따라 적절히 선택되어야 합니다. 공통 소스 증폭기는 구조가 단순하고 전력 소모가 낮은 장점이 있지만, 입력 저항이 낮고 이득이 상대적으로 낮습니다. 반면 캐스코드 증폭기는 입력 저항이 높고 이득이 크지만 구조가 복잡하고 전력 소모가 높습니다. 따라서 고입력 임피던스, 고이득이 필요한 경우 캐스코드 증폭기가 적합하고, 저전력 및 단순한 구조가 요구되는 경우 공통 소스 증폭기가 더 적합할 수 있습니다. 회로 설계 시 이러한 특성을 고려하여 적절한 증폭기 구조를 선택하는 것이 중요합니다.