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전자회로 I

대학교 전기공학 · 주제 5

5.1

이 과정의 내용과 활용 방법

이는 대학 전기공학 과정 중 다섯 번째 과목인 전자회로 I입니다. — 소자 관련 첫 번째 과목입니다. 파동 1 및 EE04은 이상적 소자로 구성된 회로를 다뤘습니다. 여기서는 소자 자체가 연구 대상이며, 핵심 기술은 모델링입니다: 현재 질문에 답할 수 있는 가장 간단한 소자 모델을 선택하는 것입니다. 해당 질문의 핵심.

  • 단원 5.1은 반도체와 다이오드의 모델 계단을 소개합니다.
  • 단원 5.2에서는 다이오드를 직류 정류기, 전원 장치 및 지너 리귤테이터에 적용합니다.
  • Units 5.3–5.4은 두 가지 트랜지스터 패밀리(BJT, MOSFET)의 바이어스 조건을 설정합니다.
  • Unit 5.5은 바이어스 지점 주변에서 선형화하여 소신호 증폭기를 설명합니다.
  • Units 5.6–5.7 add feedback and the frequency-domain view.

검증 습관: 모든 바이어스 포인트는 소자의 운전 영역(방정식이 유효한 가정이었던 영역)과, 모든 저신호 해석이 한계 조건에서 검증됨을 확인합니다. 각 단원은 공통적 한계 조건에서의 소신호 해. 각 단원은 공통된 (전자), 수용체는 p형(공극)을 만듭니다. pn 접합 PN은 한 방향으로만 전도합니다: 순방향 바이어스(p측 양극성)는 전류를 지수적으로 흐르게 하고, 역방향 바이어스는 공명 영역을 넓혀 차단합니다.

English 한국어
MOSFET 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터
saturation region 포화 영역
5.1

반도체와 다이오드 모델

순수한 실리콘은 전도성이 낮습니다; 도핑은 운반자를 추가합니다. 공여체는 n형(전자), 수용체는 p형(공극)을 만듭니다. pn 접합은 한 방향으로만 전류를 통하게 합니다: 순방향 바이어스(p측 양극성)에서는 전류가 지수함수적으로 흐르며, (electrons), acceptors make p-type (holes). A pn junction PN conducts one 방식으로 끝난다: 정방향 편향(p측 양극)은 전류가 지수함수적으로 흐르게 하고, 역방향 편향은 공백층을 넓혀 전류를 차단한다.

다이오드에는 모델 사다리가 있다—질문에 따라 선택하라:

  • 이상적: 0 V일 때 도통, 꺼져 있을 때는 개회로.
  • 고정 강하 모델: 0.7 V (실리콘 도통 시).
  • 조각 선형 모델: 0.7 V + 기울기 저항 $r_{d} = nV_{T}/I_{D}$.
  • 지수함수Shockley 법칙 $i = I_{S}(e^{v/nV_{T}} - 1)$은 다음 조건에서 성립하며, 곡선 형태가 중요하며, 상온에서 $V_{T} = kT/q \approx 26$ mV이다.

사다리 모델이 작동하는 이유: 가동점에서의 쇼클레 법칙을 미분하면 다이오드의 동적 저항은 $r_{d} = nV_{T}/I_{D}$ — 몇 오름에 해당하며, 밀리암페어 단위이다. 그리고 $i \propto e^{v/nV_{T}}$이므로, 전류가 10배가 되면 전압이 추가로 $\ln 10 \times nV_{T} = 2.303 \times 26 = 59.9$ mV만 더 필요하다(n = 1): 곡선이 거의 수직 벽과 같으므로 루프 내 저항기가 전류를 결정하고 다이오드는 아니며—이는 정수 강하 모델이 정확할 때와 정확히 일치한다.

Shockley 다이오드 곡선과 부하 선(5 − v)/1 kΩ)이 약 0.577 V 및 4.42 mA 지점에서 만남, 일정한 강하 모델의 답은 0.7 V, 4.3 mA 근처에 있음
부하 선이 전류를 결정하고, 가파른 다이오드 곡선은 전압 변화가 거의 없습니다.

** solved example 1 (모델 선택, 세 가지 방법).** 5 V 전원이 다이오드에 공급될 때 1 kΩ 저항과 직렬로 연결됨. 이상적 모델: 5 mA. 일정한 강하 모델: $(5 - 0.7)/1000 = 4.3$ mA. Shockley 정확 값($I_{S} = 10^{-12}$ A, $nV_{T} = 26$ mV, 이분법 계산 $I_{S}(e^{v/26\mathrm{m}} - 1) = (5 - v)/1000$): $v_{D} = 0.5775$ V, $i = 4.423$ mA). 일정한 강하 모델의 답은 오차 2.8% 이내임 — 저항이 루프를 지배하기 때문임. 루프를 지배한다. 그 이유를 확인하라: 정수 강하 모델은 다이오드 전압에서 $0.7 - 0.5775 = 0.12$ V의 오차를 내며, 저항기가 이를 전류 오차인 $0.12/1000 = 0.12$ mA로 변환한다—4.42 mA의 2.8%에 해당한다.

이제 전원을 2 V만큼 변동(소신호)시킴: 변동 전류는 지점 $r_{d} = nV_{T}/I_{D} = 26\,\mathrm{mV}/4.42\,\mathrm{mA} = 5.9\ \Omega$. 이제 전원을 $\pm 0.1$ V만큼 진동시키라(소신호): 진동 전류는 $0.1/(1000 + 5.9) = 99.4\ \mu\mathrm{A}$ — 저항기만 고려할 때 0.6% 이내 100 µA. The 5 V worth of DC sits across the pair almost unchanged; the 0.1 V 소신호 이론의 핵심인 유닛 $1\ \mathrm{k}\Omega + 5.9\ \Omega$이며, 이는 다이오드에서 처음 접하는 개념입니다: 문제를 두 부분으로 나눕니다. small-signal idea of unit 5.5, met first at the diode: split the problem into 흔한 실수. 저항기가 지배적인 상황에서 지수 모델을 사용하는 것(불필요한 이분법; 그 상황에서는 상수 전압 강하 모델이 올바른 도구입니다). linearised resistance takes over).

Common mistakes. Using the exponential model when the resistor dominates (needless bisection; the constant-drop model is the right tool there). Quoting "$r_d$ = 26 mV" — that is $V_T$; the resistance is $V_T/I_D$, current 분모에 있습니다. 고전류에서 n = 2를 놓치면 (59.9 mV/decade가 120 mV/decade이 됩니다).

요약: 다이오드는 거의 수직인 정방향 곡선을 가진 단방향 밸브이며, 루프 저항기가 전류를 설정합니다; $r_d = nV_T/I_D$는 선형화된 관점입니다. 문제에서 필요한 모델을 선택하고 다음 모델과 비교하여 답을 검증하십시오.

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Find the bias point, then test a small change

$V_s=RI_D+v_D,\quad r_d\approx\frac{nV_T}{I_D}$

The 5 V and 1 kΩ circuit gives about 0.5775 V and 4.42 mA with Shockley, compared with 4.3 mA for the 0.7 V model. Change the source or resistor, then compare a +0.1 V source change with the local dynamic-resistance prediction. A low-supply case shows why a fixed drop can fail.

English 한국어
electronics I 모의 전자공학 I
modelling/ˈmɒdəlɪŋ/ 모델링
doping 도핑
pn junction PN 접합
ideal model 이상 모델
constant-drop model 일정 전압 강하 모델
piecewise-linear model 조각 선형 모델
exponential model/ˌekspəˈnenʃl ˈmɒdl/ 지수 함수 모델
half-wave rectifier 반파 정류기
bridge rectifier/brɪdʒ ˈrektɪfaɪə/ 브리지 정류
small-signal 소신호
5.2

정류기와 직류 전원 장치

반파 정류기는 한 반주기를 도통하며, 전파 브리지는 두 번(네 개의 다이오드 중 동시에 두 개가 도통하므로), bridge** conducts both (four diodes, two conducting at a time, so the diode drops cost 1.4 V and each diode must survive a peak inverse voltage of one secondary peak). A filter capacitor holds the (반파) 또는 $\Delta V \approx I_{load}/(f\cdot C)$ (전파) — 콘덴서는 충전 피크 사이의 전체 간격 동안 부하를 공급해야 합니다. (half-wave) or $I_{load}/(2f\cdot C)$ (full-wave) — the capacitor must supply 충전 피크 사이의 전체 간격에 대한 부하.

Full-wave rectified 15.6 V peaks with a 2200 µF filter: the output sags by under half a volt between recharges every 10 ms
Full-wave bridge with 2200 µF at 100 mA: the capacitor bridges the gaps between peaks

해설 예제 1 (브리지 공급, 확인됨). 브리지는 12 V를 정류한다. RMS 값, 50 Hz 이차 코일; 부하가 100 mA를 소비하고 콘덴서는 2200 µF이다. 최대 출력: $12\sqrt{2} - 1.4 = 17.0 - 1.4 = 15.6$ V. 리플(전파 정류, 매 10 ms마다 충전): $\Delta V = 0.1/(100 \times 2200\mu) = 0.455$ V. 따라서 출력은 15.6 V와 15.1 V 사이에서 유지된다. 검증: 리플 ≪ 최대값 (2.9% ✓ — 이차 해설 예시 0.91 (양극단 모두 설계된 지너 레귤레이터, 확장됨). 정류 브리지는 4개의 다이오드를 위해 2배의 정류 용량을 요구하며; 다이오드당 PIV ≈ 17.0 V(한 번의 이차 피크) — 그 이상의 등급을 선택하십시오. 피크) — 다이오드를 그 이상으로 등급을 매기라.

해설 예제 2 (양쪽 극단에서 설계된 제너 레귤레이터, 확장됨). 12 V를 5.1 V로 조절하기 위해 5.1 V 제너를 사용한다. 부하는 0–10 mA and the zener needs at least 2 mA to stay in breakdown. Worst case for the zener current is full load: $R \le (12 - 5.1)/(10\mathrm{m} + 2\mathrm{m}) = 575\ \Omega$ → pick 560 Ω. Now check the other extreme — no load: $I_{Z} = (12 - 5.1)/560 = 12.3$ mA, so $P_{Z} = 5.1 \times 12.3\mathrm{m} = 63$ mW and the resistor dissipates $(12-5.1)^{2}/560 = 85$ mW worst case. Full load leaves $I_{Z} = 12.3 - 10 = 2.3$ mA ≥ 2 mA ✓. Both extremes verified — that is a complete regulator design: one inequality from each end of the load range.

Common mistakes. Using f instead of 2f for the bridge ripple (the capacitor recharges every half-cycle). Forgetting the 1.4 V of two diode drops in the peak output. Sizing the zener resistor at the typical load only — the zener current must be checked at BOTH extremes, and its power at the 무부하 극한.

요약: 브리지 = 양반 주기 모두, 1.4 V 비용, PIV는 하나의 피크; 리플 $I/(2fC)$은 재충전 간격에 의해 결정됩니다. 제너는 전압을 유지하면서 직렬 저항기는 과잉분을 흡수합니다 — 두 부하 극한에서 설계되었습니다.

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One resistor, two opposite design limits

$I_Z=\frac{V_{in}-V_Z}{R}-I_L$

For the 12 V to 5.1 V example, 560 Ω leaves 2.32 mA for the zener at a 10 mA load and about 63 mW at no load. With an illustrative 100 mW power rating, compare the lower power-bound resistance with the 575 Ω upper current bound. A smaller resistor can exceed the power rating; a larger one can lose regulation.

English 한국어
peak inverse voltage 역최대전압
filter capacitor 필터 콘덴서
ripple/ˈrɪpl/ 리플
zener diode 제너 다이오드
bipolar junction transistor 쌍극 접합 트랜지스터
active region 작동 영역
5.3

BJT 바이어스

양극 접합 트랜지스터는 세 가지 영역이 있습니다: 차단, 활성 (증폭 영역: $I_C = \beta I_B$, $V_{BE} \approx 0.7$ V), 및 포화($V_{CE} < 0.2$ V, 두 접합부 모두 정방향). 바이어싱이란 정류점(바이어스 포인트, Q-포인트)을 명확히 활성 영역에 위치시키고 이를 β — 동일한 부품 번호의 장치 간에 2:1으로 변하는 매개변수 — 에 의존하지 않게 만드는 것입니다. 동일 부품 번호의 장치 사이에서.

BJT 출력 특성 곡선 및 DC 부하 선: Q-포인트는 IC = 0.99 mA, VCE = 8.8 V 지점에 위치하며 활성 영역 내부에 잘 자리 잡고 있으며, 부하 선이 축과 만나는 지점에 포화와 차단 영역이 표시됨
12 V DC 부하 선(RC + RE = 3.2 kΩ) 및 분압 바이어스 Q-포인트: 0.99 mA, 8.8 V

해설 예제 1 (전압 분배 바이어스, 정확). $V_{CC} = 12$ V; $R_{1} = 68$ kΩ ($V_{CC}$로), $R_{2} = 12$ kΩ (접지), $R_{C} = 2.2$ kΩ, $R_{E} = 1$ kΩ, $\beta = 100$. 분압기를 테브넌 등가 회로로 변환: $V_{B} = 12 \times 12/80 = 1.8$ V, $R_{B} = 68\mathrm{k} \parallel 12\mathrm{k} = 10.2$ kΩ. 간단한 추정(베이스 전류를 무시): $V_{E} = 1.8 - 0.7 = 1.1$ V → $I_{E} \approx 1.1$ mA. 정확한 계산(베이스 루프 포함 $I_E = (\beta+1)I_B$): $I_B = (1.8 - 0.7)/(10.2\mathrm{k} + 101 \times 1\mathrm{k}) = 9.9\ \mu$A → $I_C = 0.989$ mA, $V_{CE} = 12 - 0.99\mathrm{m} \times 2.2\mathrm{k} - 0.99 = 8.8$ V — active ✓ ($V_{CE} \gg 0.2$ V). 간단한 추정은 11% 높게 산출되었습니다. 그 원인은 베이스 전류가 분압기에 부하를 가한 것이며, 이는 정확한 루프 계산에서 정확히 반영된 내용입니다. 원인은 베이스 전류가 분압기에 부하를 걸었다는 점—정확한 루프에서 고려되는 바와 정확히 일치함.

해설 예제 2 (β가 두 배가 된 경우, 회로의 핵심, 값 증가). 같은 회로, $\beta = 200$: $I_B = 1.1/(10.2\mathrm{k} + 201\mathrm{k}) = } 5.2\ \mu$A → $I_C = 1.04$ mA, $V_{CE} = 8.7$ V — 아직 활성화됨 ✓. 따라서 β × 2 콜렉터 전류를 5% 증가시켰으며(0.99 → 1.04 mA), Q점의 위치는 거의 변하지 않았다. 유지됨. 메커니즘: 컬렉터 전류 증가가 에미터 전압을 올려 감소시킴 $V_{BE}$ 및 베이스 전류를 제한함—음성 편향 내부의 피드백은 $R_E$에 의해 제공됩니다. $R_E = 0$이 있을 때, 활성 영역 공식 $I_C = \beta(1.8 - 0.7)/10.2\mathrm{k}$은 β = 100일 때 10.8 mA를 예측합니다 β = 200일 때 21.6 mA입니다. 2.2 kΩ 컬렉터 저항기는 어느 쪽도 통과할 수 없습니다 12 V로부터의 전류이므로, 활성 가정은 실패합니다: 이들은 후보지만, 실제 포화 전류가 아닙니다. 공식의 β 민감도는 여전히 명확합니다, 하지만 Q점을 수용하기 전에 영역 확인이 선행되어야 합니다. 두 오류 원인은 이제 정량화되었습니다: 분배기 로딩에서 11% β 분포에서 5% (어두운 분배기로 흡수됨) $R_E$).

Common mistakes. Checking $V_{CE} > 0$ instead of $> 0.2$ V (saturation starts at about 0.2 V). Computing $V_C$ from the estimated 1.1 mA and then 회로를 먼저 세운 뒤, 이를 확인함. 분압기만으로는 바이어스가 chain, then check it. Believing the divider alone makes the bias independent of β — it is $R_E$ (with the divider stiff enough to hold $V_B$) that does 요약: 분압기를 테베넌 등가 회로로 변환하고, 베이스 루프를 정확하게 풀며, 영역을 확인함;

Summary: Thévenin the divider, solve the base loop exactly, check the region; $R_E$ buys β-independence at the price of headroom; estimate-then-verify is BJT! 의 정률 모델은

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A doubled β does not have to double the current

$I_B=\frac{V_{TH}-0.7}{R_{TH}+(\beta+1)R_E}$

Keep the worked 12 V, 68 kΩ/12 kΩ divider, 2.2 kΩ collector resistor and 1 kΩ emitter resistor. Compare β = 100 and 200, then remove the emitter resistor or stiffen the divider. Check the active assumption before accepting any current or voltage as a Q-point.

5.4

MOSFET 편향

MOSFET는 전압 제어 소자입니다. 게이트에 직류 전류가 흐르지 않으며, 포화 영역(증폭기 영역 — BJT의 명명법과 반대!)에서 제곱 법칙 모델은 opposite naming to the BJT!) the square-law model gives

$$i_D = \tfrac{1}{2}k_n\frac{W}{L}(v_{GS} - V_t)^2, \qquad v_{DS} \ge v_{GS} - V_t,$$

with threshold $V_t$. The three regions: cut-off ($v_{GS} < V_t$), 삼극/옴($v_{DS} < v_{GS} - V_t$ — 증폭기가 아닌 저항기), 포화(부등식이 성립함 — 전류원).

MOSFET iD-vDS 특성 곡선(세 가지 VGS 값, 포화/삼극 경계 포물선 포함); 두 개의 바이어스 지점 표시: 3 V 게이트에서 포화 상태 1.1 mA, 6.6 V, 5 V 게이트는 경계 검사를 통과하지 못하여 삼극 영역으로 재해석됨: 3.0 mA, 1.0 V
경계 포물선 vDS = vGS − Vt는 영역 검증을 위한 기준이며, 두worked example이 이 도표 위에 위치함

**예제 1 (포화로 가정하고 검증함). $V_{DD} = 10$ V, $\tfrac{1}{2}k_n(W/L) = 0.5$ mA/V², $V_t = 1.5$ V, $R_D = 3$ kΩ, 게이트 전압 유지 $V_G = 3$ V(분배기 — DC 게이트 전류 없음). 포화로 가정: $I_D = 0.5 \times (3 - 1.5)^{2} = 1.125$ mA; $V_{DS} = 10 - 1.125\mathrm{m} \times 3\mathrm{k} = 6.6$ V. Check: $6.6 \ge 3 - 1.5 = 1.5$ ✓ — 포화 1.125과 함께 quadratic 방정식을 적용하면 드레인-소스 전압이 6.6 V,

*예제 2 (검증 실패 시, 조건 강화). 게이트를 높여 $V_G = 5$ V, same circuit. Assume saturation: $I_D = 0.5 \times 3.5^{2} = 6.1$ mA, $V_{DS} = 10 - 6.1\mathrm{m} \times 3\mathrm{k} = -8.4$ V — 불가능(음의 드레인 전압), 따라서 가정이 틀림: 저항은 10 V 전원으로부터 18 V를 떨어뜨릴 수 없음. 삼극 영역에서 다시 풀고 $i_D = 0.5(2 \times 3.5\, v_{DS} - v_{DS}^{2})$ 및 부하 선을 사용 $10 = 3\mathrm{k}\, i_D + v_{DS}$: the quadratic gives $v_{DS} = 1.00$ V, $i_D = 3.00$ mA. 검증: 영역 $1.0 < 3.5$ ✓ 삼극; 삼극 방정식 returns $0.5(2 \times 3.5 \times 1 - 1) = 3.0$ mA ✓ consistent with the load 선; 이 게이트에서의 포화 상태는 18.4 V의 공급 전압을 요구했을 것이다. 그 교수: 이 모델은 가정일 뿐이며, 영역 확인이 이를 합법적으로 만듭니다. 합법화합니다.

자주 하는 실수. 영역 없이 포화 전류만 신뢰하는 것 check (the failed example above sails through to a wrong answer if you only check $V_{DS} > 0$). Mixing up the region names with the BJT (MOSFET MOSFET 분배기는 메가옴 저항을 사용할 수 있음. MOSFET 분배기가 메가 저항을 사용할 수 있는 이유이다. MOSFET dividers can use megohm resistors.

Summary: square law in saturation, boundary $v_{DS} = v_{GS} - V_t$ is the 테스트; 가정, 풀이, 확인 — 그리고 확인 실패 시 삼극관 이차함수가 대신 작동하며, DC에서 게이트 전류는 0입니다.

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The region check chooses the operating point

$V_{DS}\ge V_{GS}-V_t\quad\text{for saturation}$

The worked 3 V gate gives a valid saturation point at 1.125 mA and 6.625 V. At a 5 V gate the saturation assumption fails, and the triode equation has two algebraic roots. Only 1 V and 3 mA satisfies the assumed region; the larger positive root is rejected.

English 한국어
square-law model 제곱 법칙 모델
threshold/ˈθreʃəʊld/ 임계값
bias point 편향점
5.5

Small-signal amplifiers

증폭은 편향점 (단위 5.3의 Q점) 주변에서만 선형입니다. 소신호 모델은 각 소자를 해당 지점에서의 선형화된 매개변수로 대체합니다: BJT — $g_m = I_C/V_T$ (지수함수를 미분하고, $r_\pi = \beta/g_m$, $r_o$); MOSFET — $g_m = k(W/L)(V_{GS} - V_t) = 2I_D/(V_{GS} - V_t)$ (differentiate the square law), $r_o$. DC sources 는 단락으로, 결합 콘덴서는 신호 주파수에서 단락으로 처리됩니다.

공통 에미터 단계의 하이브리드-π 소신호 모델: 베이스-에미터 간 rπ, 컬렉터-에미터 간 제어 전류원 gm·vπ, RC와 병렬인 ro, 및 컬렉터에서 출력 전압을 취함
한 개의 선형 회로는 해당 단계에 대한 모든 소신호 질문에 답합니다

해설 예제 1 (공통 에미터 단계). 단위-5.3 편향 지점에서 $I_C = 0.99$ mA, $\beta = 100$: $g_m = 0.99\mathrm{m}/26\mathrm{m} = 38.1$ mS; $r_\pi = 100/38.1\mathrm{m} = 2.6$ kΩ. $R_E$이 회로에 병렬 연결되었을 때의 전압 이득 및 $r_o = 50$ kΩ: $A_v = -g_m(R_C \parallel r_o) = -38.1\mathrm{m} \times 2.11\mathrm{k} = -80$. Limiting checks: $r_o \to \infty$ gives $-g_m R_C = -84$ (r_o 비용이 5%); 및 이득은 음수여야 함 — CE 단위는 위상을 반전함.

해설 예제 2 (저항 증강 및 MOSFET 비교, 심화). 회로에 병렬 연결을 해제하여 $R_E = 1$ kΩ를 참여시키면: 정확한 이득은 $-g_m R_C/(1 + g_m R_E) = -84/(1 + 38.1) = -2.14$, against the $-R_C/R_E = -2.2$ textbook form — within 2.4% because $g_m R_E = 38 \gg 1$ (즉, 해당 공식의 유효성 조건이 이제 명확해짐). degeneration이 84를 2.2로 교체함 — 선형성과 안정적인 이득을 stabilised한 동일한 $R_E$로 구매함. bias. Same story in MOSFET land: the unit-5.4 Q-point gives $g_m = 2I_D/V_{ov} = 2 \times 1.125\mathrm{m}/1.5 = 1.5$ mS 및 common-source 이득 $-g_m R_D = -4.5$. 동일한 1.125 mA의 BJT는 $43.3$ mS를 가짐 — MOSFET의 29배 — transconductance 및 무한한 입력 저항에 대한 전류 이득: 근본적인 trade-off임. 저항을 제공하며, 이것이 근본적인 트레이드오프입니다.

자주 하는 실수. 정확한 풀이가 존재함에도 불구하고 예측된 편향 전류에서 $g_m$를 계산하는 것 — 하나의 체인, 하나의 매개변수 세트를 사용해야 합니다. 다음과 같은 the exact solve exists — one chain, one set of parameters. Using $-R_C/R_E$(입력 저항 $g_m R_E \sim 1$); 비반전 $g_m R_E \gg 1$ 소신호 모델이 다른 회로라고 생각하지만, 실제로는 동일한 회로입니다. 회로이며, Q점에서 미분하여 유도됩니다.

요약: 소신호 모델 $g_m$을 얻기 위해 Q점에서 장치 법칙을 미분합니다. $r_\pi = \beta/g_m$; 바이패스 이득 $-g_m R_C$, 디제네레이션 이득 $-R_C/R_E$인 경우 $g_m R_E \gg 1$; BJT는 mA당 gm가 우세하고, MOSFET은 게이트가 우세합니다.

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A small-signal model is a tangent at the bias point

$g_m=\left.\frac{\partial i}{\partial v}\right|_Q$

Start with the worked 0.99 mA BJT bias and recover gm about 38.1 mS, input resistance about 2.6 kΩ and bypassed gain about −80. Widen the input excursion to see the curved current law leave its tangent. Switch device at the same bias current to compare gm fairly, then select the MOSFET worked bias of 1.125 mA for gm 1.5 mS and gain −4.5.

5.6

연산 증폭기 피드백 회로

유한 이득 관점에서의 파동 1의 황금 규칙이 다시 등장합니다. 부정 피드백 루프를 닫습니다. 중요한 것은 루프 이득 $A_{OL}\beta_{fb}$입니다. 유도 (역상 증폭기): 연산증폭기가 $v_- \approx v_+$을 유지할 수 있다면, 입력 저항에 흐르는 전류는 $(v_{in} - 0)/R_{in}$이고, 피드백 저항에 흐르는 전류는 같은 전류이며, $v_o = -R_f v_{in}/R_{in}$입니다. 정확한 노드 방정식을 오픈루프 이득 $A_{OL}$으로 작성하고 풀면

$$A_{CL} = -\frac{R_f/R_{in}}{1 + 1/(A_{OL}\beta_{fb})}, \qquad \beta_{fb} = \frac{R_{in}}{R_{in} + R_f},$$

황금 규칙의 답이 극한 $A_{OL}\beta_{fb} \to \infty$에서 정확해지며, 실제에서는 인자 $1/(1 + A_{OL}\beta_{fb})$만큼 오차가 발생합니다.

이득 크기에 대한 주파수 그래프(로그-로그): 연산증폭기의 오픈루프 응답이 20 dB/decade로 감소하며, 그 1 MHz 이득-대역폭 제품에서 폐루프 이득 선들이 40 dB 및 20 dB에서 각각 10 kHz와 100 kHz에서 만나는 모습
이득-대역폭 쌍곡선: 폐루프 이득은 오픈루프 곡선을 따라 대역폭을 확보합니다

풀이 예시 1 (네 가지 토폴로지 및 GBW). 역상 증폭기 积** GBW = $-R_f/R_{in}$ MHz는 폐루프 $R_{in}$ dB($1 + R_f/R_{in}$배)에서 대역폭이 (입력 저항 → ∞); 전위 변환기(transimpedance) $v_o = -I_p R_f$ (포토다이오드: $2\ \mu\mathrm{A} \times 1\ \mathrm{M}\Omega = 2$ V); 합산 증폭기 $-(v_1 R_f/R_1 + v_2 R_f/R_2)$. 이득-대역폭을 가진 연산증폭기 product** GBW = 1 MHz at closed-loop 40 dB (100×) has bandwidth 10 kHz; at 20 dB (10×), 100 kHz ✓ (the product stays 1 MHz along the double hyperbola).

해설 예시 2 (황금 규칙의 오차가 증폭된 경우). 이 $1/(1 + A_{OL}\beta_{fb})$ 오차 인자, 계산됨. 폐루프 이득 100 ($\beta_{fb} = 0.01$): $A_{OL} = 10^{5}$를 적용하면, $A_{CL} = 100/(1 + 1/1000) = 99.90$ — 0.1% 오차로, scopes에서는 보이지 않음. 피로하거나 고주파에서 연산증폭기에서 $A_{OL}$이 $10^{3}$까지 떨어졌을 때(단위 5.7를 기억하십시오: 개루프 이득은 이미 감쇠되고 있습니다): $A_{CL} = 100/1.1 = 90.9$ — 9.1% 오차입니다. 따라서 황금 규칙은 루프 이득에 대한 서술입니다: 루프 이득이 오차가 발생함. 즉 황금 규칙은 루프 이득에 대한 서술이다: 루프 이득이 is large they are exact, and near the corner they quietly die. Check: at 10 kHz with GBW 1 MHz the open-loop gain has fallen to $10^{6}/10^{4} = 100$ — equal to the closed-loop gain, loop gain 1, and indeed that is the −3 dB corner found in example 1.

이득과 대역폭의 곱은 코너에 도달하기 전까지 보존되지만, 그곳에서 규칙은 소멸합니다. ($1 + R_f/R_{in}$ differs by exactly 1 — at unity gain it is everything). 보게 합니다. 우세한 극 근사: 한 개의 극이 감쇠의 대부분을 담당합니다. current*, so the photodiode's capacitance still shapes the noise gain.

Summary: loop gain $A_{OL}\beta_{fb}$ is the truth meter for the golden rules; error $= 1/(1 + A_{OL}\beta_{fb})$; GBW is a hyperbola — closed-loop gain times bandwidth is conserved until the corner, where the rules die.

English 한국어
loop gain 루프 이득
transimpedance amplifier 교차 임피던스 증폭기
gain-bandwidth product/ɡeɪn ˈbændwɪdθ ˈprɒdʌkt/ 증폭 대역폭 곱
5.7

증폭기의 주파수 응답

모든 증폭기는 대역통과 필터입니다: 결합 콘덴서는 저주파 코너 $f_L = 1/(2\pi R_{eq}C)$를 단계마다 설정합니다($R_{eq}$ = 콘덴서가 보이는 값, 신호원은 영으로 가정), 그리고 고주파 영역에서는 밀러 정전용량 plus internal poles take over. The Miller derivation: a capacitor $C$ from $-A$ — 입력 노드는 마치 지름에 대한 $i = C\,d(v_{in} - v_o)/dt = C(1 + A)\,dv_{in}/dt$을 보는 것처럼 동작합니다. 우세 극점 as if it saw $C_M = C(1 + A)$ to ground. The dominant pole approximation: one pole does most of the rolling, $f_H \approx 1/(2\pi R_{eq}C_{eq})$.

Left: the Miller mechanism — a 5 pF feedback capacitor across a stage of gain −80 behaves at the input as 405 pF to ground. Right: the stage's response with and without the Miller term — 187 kHz versus 3.18 MHz when a cascode removes it
The Miller multiplication and the bandwidth it costs; the cascode reclaims 17×

해제 예 1 (전체 대역 통과, 양쪽 경계). 단위-5.5 CE stage: the coupling capacitor sees $R_{eq} = R_B \parallel r_\pi = 10.2\mathrm{k} \parallel 2.6\mathrm{k} = 2.08$ kΩ이므로, 10 µF 커플링을 사용하면 $f_L = 1/(2\pi \times 2.08\mathrm{k} \times 10\mu) = 7.7$ Hz를 생성함. 고주파 말단: 베이스와 컬렉터 사이에 $C_{gb} = 5$ pF가 있으며 여기서 단의 이득은 −80: $C_M = 5\mathrm{p} \times 81 = 405$ pF, plus 20 pF of stray → $f_H = 1/(2\pi \times 2\mathrm{k} \times 425\mathrm{p}) = 187$ kHz. 이 단은 이득 −80에서 7.7 Hz부터 187 kHz까지 통과함. 검증: 결합 커패시터가 보는 것은 병렬 조합(소스 제로화)이지 합계가 아님 — 고전적인 $f_L$ 실수; 그리고 −80는 Miller 인자 내부의 중대역 이득으로, 이미 거의 감소한 상태입니다. $f_H$ — 우세 극점 근사 해는 몇 퍼센트 정도 낙관적이지만, 정직한 해석입니다.

해제 예시 2 (카스코드 및 카스케이드, 확장됨). 카스코드는 컬렉터를 거의 일정하게 유지하여 gain을 5 pF 전체에서 제거함: $f_H = 1/(2\pi \times 2\mathrm{k} \times 25\mathrm{p}) = 3.18$ MHz — 17× 트랜지스터 하나당: Miller는 병명과 치료법을 설명합니다. 대신 cascade를 사용: 두 개의 동일한 187 kHz 단계를 직렬로 연결하면 각 단계는 3 dB씩 감소함 따라서 쌍은 6 dB 감쇠됨 — 전체 −3 dB 지점은 $187 \times \sqrt{2^{1/2} - 1} = 120$ kHz에 위치합니다. 다중 스테이지 증폭기는 이득을 두 번 비용으로 치릅니다 — 한 번은 Miller에서, 한 번은 카스케이드에서.

일반적인 실수. 결합 커패시터가 보는 저항값을 구할 때 병렬로 합하는 대신 커플링 커패시터가 보는 값; 전체 시스템의 코너를 각 단계별 코너로 보고하는 것 시스템 코너 (cascade가 이를 $\sqrt{2^{1/n} - 1}$만큼 축소함).

요약: 커플링 커패시터로부터 $f_L$과 제로화된 소스 저항을 비교; Miller $(1 + |A|)$배 증가시킵니다; 카스코드는 이를 제거하고; 카스케이드는 코너를 $\sqrt{2^{1/n} - 1}$만큼 축소합니다.

탐색하기

Miller moves the upper corner; cascades narrow both ends

$C_M=C(1+A),\quad f_H\approx\frac{1}{2\pi R C_{total}}$

Start with the worked gain magnitude 80, 5 pF feedback capacitor and 20 pF stray capacitance. Miller gives 425 pF in total and a high corner near 187 kHz. Suppress multiplication with the cascode idealisation to reach about 3.18 MHz. Then compare two buffered stages with one and probe the chain’s own half-power edge near 120 kHz. Changing the coupling capacitor moves the low corner independently.

English 한국어
coupling capacitor 결합 커플링 콘덴서
Miller capacitance 밀러 정전용량
dominant pole 우세 극점

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