MOSFET 증폭기 회로_예비(전자회로실험)

소개글

MOSFET 증폭기 회로_예비(전자회로실험)에 대한 보고서 자료입니다.

목차

전자회로실험 예비보고서
9장. MOSFET 증폭기 회로
1. 실험 목적
2. 이론
3. 사용 장비 및 부품
4. 실험 방법
5. 예비 보고 사항

본문내용

보면 많은 음이온들이 노출되어 산화물 밑의 공핍 영역이 깊어지고 자유 전자들이 계면으로 끌어당겨지고 전도성 채널이 생성된다. 이때 채널이 생기기 시작하는 게이트 전압을 문턱전압 라고 한다. 따라서 게이트에 인가되는 전압을 변화시키면 채널 폭이 변화하고 이에 따라 드레인에서 소스 방향으로 흐르는 전류가 변화하게 된다.
위의 에 따른 의 변화 그래프를 보면 가 작을 때에는 가 증가함에 따라 드레인 전류 가 증가하지만, 가 일정 전압만큼 커지면 게이트와 드레인 사이의 채널이 막히게 되어 가 증가해도 드레인 전류는 증가하지 않고 일정하게 유지된다. 이러한 현상을 핀치 오프(pinch-off)라 하고 이 때의 의 전압을 핀치 오프 전압 라고 한다.
게이트-소스 전압 가 문턱 전압 보다 작으면 채널이 형성되지 않아 MOSFET은 차단 상태가 된다. 가 보다 크면 채널이 형성되는데 이 때 게이트-드레인 전압 가 문턱 전압 보다 크면 트라이오드(triode) 영역에서 동작하고, 가 보다 작으면 포화(saturation) 영역에서 동작한다.
2.2 동작 영역에 따른 드레인 전류
드레인 전류는 게이트-드레인 전압과 드레인-소스 전압에 의하여 제어되며 동작 영역에 따라 다음 식으로 표현된다(채널 길이 변조 효과는 무시한다).
1) 차단영역
2) 트라이오드 영역
3) 포화 영역
2.3 소스 접지 증폭기
소스 접지 증폭기는 입력 신호가 게이트에 들어가고 출력 신호는 드레인에서 얻게 된다.
채널 길이 변조 효과를 무시할 때 소스 접지 기본 회로의 전압 이득, 입력 저항, 출력 저항은 다음과 같다.
채널 길이 변조 효과를 무시할 때 이 증폭기의 입력 저항, 출력 저항, 전압 이득은 각각 다음과 같다. (결합 커패시터와 바이패스 커패시터는 모두 단락 회로로 놓는다.)
3. 사용 장비 및 부품
직류 전원 공급 장치
함수 발생기
오실로스코프
디지털 멀티 미터
MOSFET : 2N7000TA (1개)
저항 10Ω, 1.8kΩ, 2.2kΩ, 3.3kΩ, 4.7kΩ 등 다수
커패시터 : 1μF (전해, 1개), 2.2μF (전해, 1개), 330μF (전해, 2개)
4. 실험 방법
4.1 게이트-소스 전압에 대한 드레인 전류의 변화
1) 실험 회로 9-1의 회로를 구성하라. =100Ω이고, =10V이다.
2) 를 0V에서 3V까지 0.1V씩 증가시켜 가면서 를 측정하고 이로부터 를 구하라. 이 데이터로부터 -관계 그래프를 그리고 이로부터 문턱 전압 를 구하라.(3V가 되기 전에 MOSFET가 뜨거워지면 실험을 중지하라.)
3) 2)에서 구한 데이터를 이용하여 =2.4V일 때의 트랜스 컨덕턴스 을 구하라.
4.2 이미터 폴로워
1) 실험 회로 9-2의 회로를 구성하라. =470Ω이고, =2.5V이다.
2) 를 0V에서 10V까지 0.5V씩 증가시켜 가면서 를 측정하고 이로부터 를 구하라. 이 데이터로부터 - 관계 그래프를 그리고 이로부터 핀치 오프 전압 를 구하라.
4.3 소스 접지 증폭기
1) 실험 회로 9-3의 회로를 구성하라.
2) 동작점 를 측정하라.
3) 입력에 크기가 10mV, 주파수가 1kHz인 사인파를 인가할 때 입력과 출력 파형을 관찰하라. 이로부터 전압 이득을 구하라.
5. 예비 보고 사항
1) 실험 회로 9-1에 대해 PSPICE를 이용하여 -관계 그래프를 그리고, 이로부터 문턱 전압 와 =2.4V일 때의 트랜스 컨덕턴스 을 구하라. 를 0.01V씩 증가시켜라.
~1.7V
1.8V
1.9V
2.0V
2.1V
2.2V
2.3V
10V
9.982V
9.907V
9.755V
9.511V
9.289V
8.959V
2.4V
2.5V
2.6V
2.7V
2.8V
2.9V
3.0V
8.556V
8.083V
7.585V
6.975V
6.315V
5.600V
4.978V
-의 관계 그래프를 보면 약 1.7V에서부터 가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. =1.7V일 때 n채널이 형성되어 드레인에 전류가 흐르기 시작하였으므로 문턱전압 =1.7V이다.
-의 관계 그래프에서 =2.4V일 때 =14.438mA가 나왔다. 트랜스 컨덕턴스 이므로 앞에서 구한 를 이용하여 계산하면 트랜스 컨덕턴스 은 약 0.041A/V가 나온다.
2) 실험 회로 9-2에 대해 PSPICE를 이용하여 -관계 그래프를 그리고, 이로부터 핀치 오프 전압 를 구하라. 를 0.01V씩 증가시켜라.
가 증가하지만 드레인 전류는 증가하지 않고 일정하게 유지되는 현상을 핀치 오프라고 한다. 위의 - 관계 그래프를 보면 =9.725V에서 =19.057mA로 일정하게 유지되는 것을 볼 수 있는데 이 때의 를 구하면 = 에서 =0.768V가 나온다. 핀치 오프 전압 =0.768V이다.
3) 실험 회로 9-3에 대해 PSPICE를 이용하여 실험 방법 2)~3)을 실시하라.
위 그림에서 실험 4.3의 PSPICE 회로도를 보면 회로의 직류 전압과 직류 전원을 확인할 수 있다. 그림을 참고하면 동작점 =3.485mA인 것을 확인할 수 있다.
입력에 크기가 10mV(=20mV), 주파수가 1kHz인 사인파를 인가하고 시간에 따른 입력과 출력 전압을 확인하고 각 피크에서의 전압을 측정하니 입력이 10mV일 때 출력이 -102mV가 나왔다. 따라서 전압 이득의 크기 =10.2가 나왔고 AC Sweep을 이용하여 전압 이득 그래프를 확인하니 1kHz에서 전압이득 =10.5가 측정되었다.
4) 실험 회로 9-3에 대해 PSPICE를 이용하여 소스 접지 증폭기의 주파수 특성 그래프를 그려라.
주파수에 따른 최대 출력 전압을 관찰하니 우리가 실험할 1kHz에서는 약 105mV가 나왔다. 앞의 예비 보고 사항 3)과 비교하였을 때 거의 같은 값을 얻었고 그래프의 Y축을 dB로 바꿔 1kHz를 측정하니 20.446dB가 나왔다. 전압 이득의 식 20log=20.446이므로 를 계산하면 약 10.5가 나온다.
추가적으로 대역폭을 측정해보았는데 중간 주파 대역의 이득은 20.476dB이고 3dB 감소하는 하한 주파수 , 상한 주파수 를 측정해보니 =83.586Hz가 나오고 =1.3914MHz가 나왔다. 이를 통해 대역폭을 계산하면 약 1.3913MHz가 나온다.

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