부정 귀환을 적용한 고이득 다단 공통 이미터 증폭기 설계

이 튜토리얼에서는 3단 공통 이미터 증폭기를 만들어 부정 귀환이 어떻게 높은 전압 이득을 길들이고 안정성을 개선하는지 보여줍니다.

부품 및 재료

• NPN 트랜지스터 3개 (2N2222 또는 2N3403; Radio Shack #276-1617은 편리한 15개 키트)
• 6V 배터리 2개 (또는 단일 12V 전원)
• 10kΩ 단일 회전 선형 전위차계 1개 (Radio Shack #271-1715)
• 1MΩ 저항 1개
• 100kΩ 저항 3개
• 10kΩ 저항 3개

참조 자료

Lessons In Electric Circuits, Volume 3, Chapter 4: "Bipolar Junction Transistors" (바이폴라 접합 트랜지스터)

학습 목표

• 다단 직접 결합 공통 이미터 증폭기 회로 설계
• 부정 귀환이 증폭기 성능에 미치는 영향 이해

회로도

 

 

실물 배선도

 

 

실험 방법

세 공통 이미터 단을 직렬로 연결하세요: 각 트랜지스터 컬렉터가 10kΩ 저항을 통해 다음 트랜지스터 베이스를 구동합니다. 이 배치는 개별 단 이득을 곱해 매우 높은 전체 전압 이득을 만듭니다.

먼저 1MΩ 피드백 저항을 빼세요. 트랜지스터 파라미터가 최댓값이면 거의 무한에 가까운 이득으로, 적은 입력 신호에도 출력이 공급 레일에서 포화합니다. 전위차계를 활성 영역에서 안정된 출력으로 튜닝할 수 없더라도, 기본 반전 특성은 여전히 명확합니다: 입력이 오르면 출력이 내리고 그 반대.

각 공통 이미터 단이 반전하므로, 짝수 단은 전체적으로 비반전 응답을, 홀수 단은 반전 출력을 냅니다. 입력 전위차계를 쓸면서 각 트랜지스터의 컬렉터-그라운드 전압을 측정해 입력이 증가할 때 출력이 오르는지 내리는지 관찰해 이를 확인하세요.

이제 마지막 트랜지스터 컬렉터에서 첫 번째 트랜지스터 베이스로 1MΩ 피드백 저항을 연결하세요. 3단 증폭기는 반전이므로 피드백 신호는 본질적으로 부정 귀환이며, 회로를 안정화해 입력 변화에 대한 민감도를 크게 낮춥니다.

피드백이 있으면 증폭기가 훨씬 예측 가능하게 동작합니다. 입력-대-출력 전압 표를 기록하고 전압 이득을 계산하세요. 피드백 저항값을 바꿔보세요: 줄이면 이득이 오르고, 늘이면 이득이 내려갑니다. 결과는 트랜지스터 공차에 따라 변하는 이득이 아닌, 저항에 의존하는 예측 가능한 이득이 됩니다.

실제 다단 증폭기는 바이어스 안정성을 위한 이미터-그라운드 저항, 단간 용량성 결합, 바이어스용 전압 분배기를 포함합니다. 고주파 설계는 공진 커패시터가 있는 트랜스포머를 쓰기도 합니다. 그럼에도 여기서 보여준 원리는 연산 증폭기와 많은 전문 증폭기 회로의 동작을 뒷받침합니다.

컴퓨터 시뮬레이션

노드 번호가 표시된 SPICE 회로도:

 

 

넷리스트 (다음 텍스트를 그대로 .cir 파일에 복사):

Multi-stage amplifier
vsupply 1 0 dc 12
vin 2 0
r1 2 3 100k
r2 1 4 10k
q1 4 3 0 mod1
r3 4 7 100k
r4 1 5 10k
q2 5 7 0 mod1
r5 5 8 100k
r6 1 6 10k
q3 6 8 0 mod1
rf 3 6 1meg
.model mod1 npn bf=200
.dc vin 0 2.5 0.1
.plot dc v(6,0) v(2,0)
.end

이 시뮬레이션은 출력 전압 대 입력 전압을 플로팅해 수치적으로 전압 이득을 계산할 수 있게 합니다. rf 값을 달리하며 전체 이득 변화를 관찰하세요. 이득은 r1과 rf 저항값만으로 근사할 수 있습니다.

관련 워크시트

• Multi-Stage Transistor Amplifiers Worksheet