강의소개 I Course: 전자회로 (3 학년 ) Classroom:N5 동 -202 호 Lecturer: Prof. Yeun-Ho Joung ( 정연호 ) Office: N5 동 211 호실 Phone: 042-821-1166 E-mail: yhjoung@hanbat.ac.kr Textbook Textbook: Electronic Devices-conventional current version by Thomas L. Floyd 전기전자제어분야의용어습득 References: Microelectronics by Jacob Millman and Arvin Grabel Microelectronic circuits by Sedra Smith Fundamentals of Microelectronics by Behzad Razavi
강의소개 II Class time: 매주월요일 ~ 목요일 6-8 교시 이론수업위주 -3 시간강의 휴강시보강을원칙으로함 강의방식 : Presentation 위주의강의 사이버한밭수강과목자료실에서 PDF file 을다운받아수업자료를반드시준비할것. Office hours: 수업전혹은수업후 상당장소 : my office 상담내용 : 강의, 수업, 성적등학교생활전반적인사항
강의소개 III 강의계획 : 7-14 장까지 (11 장제외 ) Grading: Attendance and attitude:20% 2 회이상결석및지각시교수재량에의해감점할것임 수업중태도점수부여 (cellphone 사용자제 ) 수업시작후 15 분경과하여출석할경우지각처리 (2 회지각 -1 회결석처리 ) 계산기준비 Quiz:20% 각 chapter 끝내고시험시행 Midterm:30% Final:30 % 시험중부정행위적발시 No Scoring
과목소개 I Course description: 다이오드와트랜지스터를이용한다양한전회회로응용 Power amplifiers FET Frequency response Op-AMP Prerequisite class: Electronic circuit Ⅰ Electrical circuit theory Physics Chemistry Microelectronics( fabrication )-extension view Math
과목소개 II Chapter 7: 트랜지스터를이용한 power amplifier에대한응용 Chapter 8: Field-effect transistor에대한물리적특성이해 Chapter 9: Field-effect transistor의동작회로이해 Chapter 10: 트랜지스터의주파수응답 Chapter 12: Op-Amp의기초에대한학습 Chapter 13: 기본 Op-Amp 회로에대한이해 Chapter 14: 특수목적 Op-Amp에대한이해
Periodic table 반도체는 3 에서 5 개의원자가전자 (valence electron) 를가진물질을사용한다. Intrinsic semiconductor: Si, Ge Extrinsic semiconductor: B, Ga (p 형반도체 ), P, As(n 형반도체 ) 이중 4 개의원자가전자를가지고 silicon 를먼저다루기로하자.
Semiconductors Semiconductors are between conductors and insulators in their ability to conduct electricity. 절연체와도체사이의물질 : 단일원소 -> 실리콘 (Si), 게르마늄 (Ge), 탄소 (C) 화합물 -> 갈륨비소 (GaAs) Silicon is an example of a single element semiconductor. It has four electrons in its valence band. +14 Core (+4) +4 Unlike metals, silicon forms strong covalent bonds (shared electrons) with its neighbors. Intrinsic silicon is a poor conductor because most of the electrons are bound in the crystal and take part in forming the bonds between atoms. 8 +4 +4 +4 +4
BJT structure BJT (Bipolar Junction Transistor): 두개의 diode 구조가결합, amplifier 3개의극 : emitter, base, collector Two types: NPN (electron carrier), PNP (hole carrier) 9
Basic BJT Operation Conditions Heavily doped n-type (emitter) region Lightly doped p-type (base) region p-region 은매우얇음 (100nm) Collector 와 base 사이에전계형성 Operation BE 공핍층폭감소, BC 공핍층폭증가 자유전자쉽게확산 ( 이미터 -> 베이스 ) 소수의전자 - 정공재결합 ( 베이스 ) 작은베이스전류 대부분전자 BC 공핍영역으로확산 컬랙터전류형성 10
Biasing Forward-reverse biasing: 베이스 - 이미터 -> 순방향바이어스, 베이스 - 컬랙터 -> 역방향바이어스 11
Possible Bipolar Amplifier Topologies Base-emitter voltage variation can change the collector current Can not use together Base terminal for control Three possible ways to apply an input to an amplifier and three possible ways to sense its output. However, in reality only three of six input/output combinations are useful. Common-Emitter, Common-Base, Emitter Follower
The common-emitter amplifier Input : base terminal Output : collector terminal C 2 : bypass capacitor Phase inversion: I B 증가 ->I C 증가 ->V c 감소 DC Analysis: 결합커패시터와바이패스커패시터를제거 R RR (6.8 k )(22 k ) R + R 6.8k + 22k 1 2 TH 5.19k 1 2 R 6.8k V V V I TH E 2 ( ) V CC ( )12 2.83 R1+ R2 6.8k + 22k VTH VBE 2.83V 0.7V 3.58mA R + R / 560 + 34.6 E TH DC I I 3.58mA C E V I R (3.58 ma)(560 ) 2V E E E V V + 0.7V 2.7V B E V V I R 12 V (3.58 ma)(1.0 k ) 8.42V C CC C C V V V 8.42V 2V 6.42V CE C E 13
AC analysis AC analysis: Capacitor 는 short, DC source 는 ground. ( 전압원의내부저항은 0) 베이스에서의세가지저항성분 Source resistance (R S ) Bias resistance (R 1 R 2 ) ac input resistance R in(base) R R R R in( tot) 1 2 in( base) V b in( tot ) ( ) R S R + R in( tot ) V S R R V V V S in( tot) b in S 14
전력증폭기 Power amplifiers 전력증폭기는대신호증폭기로소신호증폭기보다부하선상의더큰신호동작에서사용됨을의미 전력증폭기는통신시스템의송수신기의최종단에적용 증폭기의분류는증폭기가선형영역에서동작하기위한입력주기의비율에근거 증폭기의분류 소신호 (small-signal) 증폭기 동작점을중심으로진폭이작게변하는신호 ( 수 ~ 수백 mv) 를증폭함 트랜지스터의선형동작영역중앙근처에동작점을설정함 입 - 출력신호의선형성 (linearity) 이중요함 대신호 (large-signal) 증폭기 진폭이큰신호를증폭함 ( 일반적으로 1W 이상의정격 ) 트랜지스터의비선형특성에의해증폭기출력이왜곡될수있으므로, 큰동적범위 (dynamic range) 에서선형성이유지될수있도록소신호증폭기와는다른바이어스방법이필요함 전력변환효율, 정격전력, 안전동작영역, 전력소비에의한발열문제등이중요함 증폭기는동작점의위치에따라 A 급 B 급 AB 급 C 급등으로구분할수있다. 15
The class A power amplifiers A 급증폭기 입력신호에대해증폭된신호가선형영역이되도록바이어스된증폭기 부하에전력을제공하는것이목적인대신호증폭기 전력증폭기 열방출을고려 (cooling fan, heat sink) Heat dissipation 열방출을위해주로컬랙터단자가트랜지스터의케이스에연결 컬랙터단자와외부 heat sink 에큰면적의연전달단자가형성 Heat sink 의디자인은크기, 핀의수, 재질, cooling fan 을고려하여설계 16
Centered Q-point 직류부하선과교류부하선은 Q점에서교차 Q-point at the center of the ac load line: 최대 class A 신호 Q점을중심으로 (I CQ, V CEQ ) 컬렉터전류 I c : (0~I c(sat) ), 컬렉터-이미터전압 0~ V ce(cutoff) 17
Centered Q-point-cont. Q 점이교류부하선의중앙에위치하지않으면출력신호는제한받음 차단영역부근의 Q 점 : V ce 는차단점에의해제한 -> 입력신호가너무크면파형의첨두 ( 차단 ) 점에서절단 ( 클리핑 ) 포화영역부근의 Q 점 : V ce 는포화점에의해제한 -> 입력신호가너무크면파형의첨두 ( 포화 ) 점에서절단 ( 클리핑 ) 18
Centered Q-point-cont. Power gain 전력증폭기는부하에전력을전달 전력이득 (A p ) 은부하에전달된전력과입력전 PL 력간의비 A 전력이득은변수에따라여러가지공식으로표현가능 ( 전압값은실효값으로 ) P A L p V R 2 L L, p P in P V R 2 in in V R R ( ) ( ) V R R 2 L in 2 in A 2 v in L L DC quiescent power 입력신호가없을때전력소모 : 동작점에서의전압과전류의곱 PDQ ICQVCEQ in 19 Efficiency Output power 출력신호전력 = 실효부하전류 X 실효부하전압 동작점이중앙에있을때 CE증폭기에서최대첨두전압폭및최대첨두전류폭 VCEQ Vc (max) ICQRc, Ic(max) Rc A급증폭기의최대출력 P V I (0.707 V )(0.707 I ) ( ) L( rms) out(max) L rms c c 0.5V CEQ 효율은교류출력전력과직류입력전력의비 평균전력입력전류 I CC 는 I CQ, 입력전압은 2V CEQ, 직류전력 은 P DC =I CC V CC =2I CQ V CEQ 커패시터결합 A 급증폭기의최대효율은 25% eff max = P out /P DC =0.5 I CQ V CEQ /2 I CQ V CEQ =0.25 변압기를이용하여효율을증가시킬수있지만전위의일그러짐현상과비용, 크기등이단점 (drawbacks) A 급증폭기는아주작은부하전력이요구되는응용분야에서사용 I CQ
Eg. 7-1 A 급전력증폭기의전압과전력이득? ac( Q ) ac( Q ) ac( Q ) 200 1 2 3 CE EF A A A c1 v1 r' e( Q1) + RE1 14 + 68 v2 1 R A A v( tot) v1 v2 27.9 2.29k 27.9 Rc 1 RC R3 R4 2.29k R 10k V V V V I B E 2 ( ) CC ( )12 1.82 R1+ R2 66k VB 0.7V 1.82V 0.7V 1.78mA R + R 628 E1 E2 25mV 25mV r ' eq ( 1) 14 I 1.78mA E Check eg. 6.10 EF 단의입력저항의값이매우큼. 따라서병렬저항의값은 R 3 와 R 4 에의해결정됨 R R R ( R + r ) A ' in( tot)1 1 2 ac( Q1) E1 e( Q1) p A 56 k 10 k 200(68 + 14 ) 8.4k R 2 in( tot )1 v( tot )( ) RL 8.4k 8 2 ( 27.9) ( ) 817,330 20
The class B and AB Push-pull amplifiers B 급증폭기 - 입력주기의 180 에서는직선영역으로동작, 나머지 180 에서는차단되도록바이어스된증폭기 AB 급증폭기 - 180 이상의영역에서동작되도록바이어스된증폭기 장점 A 급증폭기보다더효율적이므로주어진입력전력의크기에대해더욱큰출력전력획득이가능 단점 입력파형의완벽한재현을위해회로구성이복잡해짐 전주기를증폭시키기위해 push-pull 구성도입 Basic class B amplifier operation 21
Class B operation 차단영역에서의 Q 점 B 급증폭기는차단점 (I CQ =0, V CEQ =V CE(cutoff) ) 에서바이어스 입력신호가증폭기를도통시킬때증폭기는차단영역이상 (0.7V) 의직선에서동작 양의반주기동안만동작하므로전주기에대해동작이가능하도록음의반주기에도동작할수있는다른 class B 증폭기를설치하여 Push-pull 동작이되도록회로를구성 22
Class B push-pull operation Full cycle 에서동작되기위한두개의 class B 증폭기의연결조합에의한동작을 push-pull 동작이라함 Push-pull 의형태 : 변압기결합, 보상형대칭트랜지스터 (npn/pnp) Transformer coupling: 2 차코일 (input coil) 에센터탭을형성, 입력신호에반전 - 비반전위상을갖는두개의신호가발생시킴 입력신호의양의주기에서는 Q 1 이, 음의주기에서는 Q 2 가동작하여두개의신호가센터탭의회로로이루어진출력변압기에의해결합되는동작 Complementary symmetry TR: 두개의 EF 를결합한형태로 npn TR(Q 1 ) 은입력신호의양의주기에서도통, 음의주기에서는 pnp TR(Q 2 ) 이도통되는형태 직류바이어스전류가 base 에인가되지않음. 입력신호에의해 TR 이도통되는특징을갖는가장일반적인 Push-pull 회로 23
Crossover distortion 교차일그러짐 ( 교차왜곡 ; crossover distortion): B 급증폭기의단점은직류베이스전압이 0 일때 TR 이도통하려면입력신호전압이장벽전압 ( ±V BE = ±0.7V) 보다커야되므로일정구간에서출력이나타나지않는구간이존재하는것 24
Biasing the push-pull amplifier for class AB operation Overcome crossover distortion: Class AB 교차일그러짐의해결은 TR 의 V BE 전압문제점이극복되도록바이어싱 푸시풀단에입력신호가없을때에도동작상태에있도록바이어싱 (voltage divider+ diode arrangement) R 1 =R 2 전류미러 (current mirror): D 1 과 D 2 의다이오드특성과 TR 의베이스 - 이미터접합부의특성이같으면다이오드에서의전류와 TR 의전류가같아지는현상 다이오드의전압강하와 TR 의전압강하가같으면 I CQ =(V CC -0.7V)/R 1 열폭주현상 (thermal runaway) TR 의전압강하가다이오드에서의전압강하와일치하지않거나다이오드와 TR 의온도평형이맞지않으면컬렉터전류는온도불안정에따른전위차발생 ( 베이스 - 이미터전류증가 ) 변압기결합증폭기에서도교차일그러짐발생 25
교류동작 AC operation Q 점은차단영역보다약간위에위치 ( 각트랜지스터는한극성에서만동작됨. 따라서최대의출력전압을얻기위해차단영역에위치시킴 ) 차단전류는 I c(sat) =V CC /R L 직류부하선은 V CEQ 와직류차단전류인 I C(sat) 을연결한직선 포화전류 I C(sat) 는양쪽트랜지스터의컬렉터 - 이미터가 short 되면서만들어지는전류 두전원의 short 으로최대전류발생 (TR 파괴 ) 26
AC operation-cont. 트랜지스터 Q 1 과 Q 2 는서로교차하면서차단과포화상태 양의주기 : Q 1 의이미터는 Q 점에서 0 ~ +V CC 로변화 음의주기 : Q 2 의이미터는 Q 점에서 0 ~ -V CC 로변화 포화전류에서동작하면 신호의왜곡초래, 출력은 V CC 보다약간적음 A 급의동작에서는 Q 점은중앙에위치, 무신호시에도전류흐름 B 급은무신호시에는아주작은전류가흐르므로전력소모는거의 0 B 급증폭기의효율은 79% V s 가인가되기전 D 1 과 D 2 사이의점의전압은 0V, D 1 과 D 2 는 0.7v 가인가된상태 양주기의전압이인가되면다이오드전압과더해진전압값이 V be 에인가되고이에따라 I c 값이변함. 27
Single-supply push-pull amplifier 두개의인가되는전압은 V CC /2 출력이 0V 가아니기때문에입력과출력에대한커패시터결합은소스와부하저항으로부터바이어스전압을제거 이상적인경우출력전압은 0~V CC 까지변화가능 V s 가연결되기전각 TR 의 V CE 값은정확히입력 DC 전압을양분하는값을갖게됨. 따라서두 TR 은도통조건이성립됨. 이후 V s 가인가되면두전압은인가전압에의해변하게됨. 28
Class B/AB power Maximum output power I 0.707I 0.707I out( rms) out( peak ) c( sat) V 0.707V 0.707V out( rms) out( peak ) CEQ P I V 0.5I V out out( rms) out( rms) c( sat) CEQ 0.25I c( sat) V CC DC input power I ( ) VCC P V I DC CC CC c sat Efficiency P 0.25I out c( sat) CC P I DC c( sat) VCC V 0.25 0.79 Input resistance ' R ( r + R ) R R in ac e E 1 2 + ' ac ( re RL ) R1 R2, ( RE RL ) 29
Eg. 7-5 최대교류출력전력, 최대직류입력전력? VCC Vout( peak ) VCEQ 10V 2 VCEQ Iout( peak ) Ic( sat) 1.25A R P 0.25I V 6.25W P out DC I ( ) c sat c( sat) V CC L 7.96W 30
Darlington class AB amplifier 저저항부하를가진응용에서구동증폭기에대한입력저항을증가시켜심각한전압이득의감소를방지 ( 교재읽기 ) 달링톤회로에의해입력저항값을증가시킴 Rc Av r e 31
Darlington/complementary class AB amplifier 달링턴 / 상보형달링턴 AB 급증폭기 일반적인달링턴과유사 32
Class C amplifier 180 보다훨씬작은위상에서도통이될수있도록한증폭기 효율이다른증폭기에비해훨씬높은데이는더큰출력전류의획득이가능함을의미 출력파형이비선형적임. 선형증폭에는사용하지않음. 출력파형이심하게일그러지므로 oscillator, modulator 와같은동조시스템에주로사용. 33
Basic class C operation C 급동작 TR 은 (-)V BB 전원에의해차단점이하로바이어스 교류신호원전압의첨두값이 V BB +V BE 보다약간크게설정. 따라서입력주기정 (+) 의첨두값부근에서짧은기간동안만 TR 이도통 Base 와 emitter 의전압을비교 34
Power dissipation 전력손실 TR 이입력주기의매우작은 percentage 에서만동작되기때문에전력손실이적음 도통기간의전력손실은 (I c(sat) : maximum current amplitude, V ce(sat) : minimum voltage amplitude, T: period) P I V D( on) c( sat) ce( sat) t t P ( ) P ( ) I V T T on on D( avg ) D( on) c( sat) ce( sat) 35
Tuned operation 저항성부하를갖는 C 급증폭기 : 컬랙터 ( 출력 ) 전압이입력신호와다름 C 급증폭기는출력이입력파형과다르기때문에선형적응용에서는무의미 병렬공진회로 (tank) 를이용 탱크회로의공진주파수는 1/(2 LC) (3장 varactor diode 참조 ) f r 36
Capacitor s properties First property: 입력전압이그림 (a) 와같이인가될때 capacitor C 1 의왼쪽 plate 는양전하가 charging 되고오른쪽에는음전하가 charging 된다. C 1 의정전용량이일정하게유지된다면입력값의변화량과출력값의변화량은비례적인관계에있다. Second property(capacitor voltage divider): 캐패시터 C 1 의왼쪽 plate 에양의전하가쌓이게되면같은양의음전하가오른쪽 plate 에싸이게된다. 따라서캐패시터 C 2 의위쪽에는같은양의양전하가쌓이게된고밑쪽 plate 에서는또한같은양의음전하가쌓이게된다. 즉 Q 1 =Q 2, Q 1 = C 1 V in, Q 2 = C 2 V out. V out V in V out C 1 C1 + C 2 V in
Tuned operation-cont. 전류펄스 -> C 충전 (V CC )-> L 충전 (C 방전 )-> C 재충전 (-V CC ) ( 첫번째절반주기 ) C 재방전 -> L 재충전 -> C 재충전 ( 거의 V CC ) ( 두번째절반주기 ) -> 첨두간전압 : 2V CC Faraday s law d emf dt 38
Tuned operation-cont. Tank circuit oscillation 공진회로의권선저항으로인한신호감쇠 기본주파수공진 2 고조파공진 입력신호의주파수에맞게에너지공급주기를동조화시키면일정한신호발생이가능. Maximum output power 39 P out V (0.707 V ) 0.5V R R R P P + P 2 2 2 rms CC CC T out D( avg ) P out D( avg ) 1(100%), P c c c Pout + P out P D( avg )
Clamper bias for a class C amplifier Base bias clamping: 건전지를사용하지않음 시정수 R 1 C 1 은입력신호의주기보다매우큼 C 1 에첨두값충전베이스전압 = -V P 정 (+) 의반주기 : C 1 첨두값충전 베이스단의 diode 에존재하는직류전압에의해 capacitor 보다약간큰전압존재 매우큰 RC 시정수커패시터는약간작은평균충전값 베이스전압은 -(V P - 0.7V) 보다약간큰직류레벨 베이스전압 = -(V P -0.7V) 보다약간큰값 (c) 와비교시극성반대 40 베이스전압은 (+) 첨두값부근에서 0.7V 보다약간큼 -> 트랜지스터도통
Eg. 7-9 베이스에서전압, 공진주파수, 피크 - 피크출력전압? V 1.414(1 V ) 1.4V s( p) V ( V 0.7 V ) 0.7V BASE s( p) dc positive peak : + 0.7V negative peak : V 0.7V 1.4V 0.7V 2.1V f r s( p) 1 1 411kHz 2 LC 2 (220 H )(680 pf) V 2V 30V PP CC 41