아날로그회로 및 증폭기

[길동무]

학문명백과 : 공학

아날로그회로

[ Analog Circuits ]

[네이버 지식백과]아날로그회로 [Analog Circuits] (학문명백과 : 공학, 형설출판사)

1. 개념 및 정의

아날로그회로는 시간에 따라 연속적으로 변하는 전압이나 전류, 즉 전기신호를 취급하는 전자회로이다. 따라서 0 혹은 1의 값으로 나타내는 디지털회로와는 다른 점이다.

아날로그회로

[네이버 지식백과]아날로그회로 [Analog Circuits] (학문명백과 : 공학, 형설출판사)

아날로그와 디지털의 차이점을 시계를 예를 들어 설명할 수 있다. 즉, 바늘이 가리키는 값을 읽는 시계가 아날로그 방식이고, LCD와 발광다이오드로 시간을 알려주는 방식이 디지털계라고 할 수 있다.

전기신호는 전압, 전류, 주파수 등의 변화로 정보를 표현한다. 소리, 빛, 온도, 압력, 위치 등의 정보도 에너지를 변환하는 트랜스듀서나 센서 등을 통하여 아날로그 값의 전기신호로 변환한다. 아날로그회로에 사용되는 소자로는 트랜지스터, 전계효과트랜지스터(FET), 연산증폭기(OP Amp), 다이오드, 저항, 인덕터, 캐패시터, 변압기와 릴레이 등이 있다.

아날로그 부품

인덕터

콘덴서

저항

2. 특성

1) 아날로그신호의 잡음

아날로그 시스템은 예외 없이 잡음이 포함되어 있다. 잡음은 임의로 불규칙하게 변화하는 외부 신호이며, 원자 등 입자의 불규칙 열 진동 등이 원인이다. 아날로그신호에 불규칙한 외부 잡음이 추가되면 원래의 신호 변화와 구별할 수 없기 때문에 그것이 잡음이 처리된다. 반복하여 신호를 복사하거나 장거리를 전송하면, 그런 불규칙 변화가 커지고 신호가 감소한다. 또 다른 잡음 발생원으로 외부의 전기신호나 잘못 설계된 부품 등이 있다. 이런 경우의 잡음은 차폐를 하거나 저잡음 증폭기(LNA) 등을 사용한다.

2) 아날로그와 디지털의 비교

아날로그회로와 디지털회로에서 정보를 부호화하는 방법이 다르기 때문에, 결과적으로 그 신호를 처리하는 방법도 다르다. 역사적으로 보면 대량생산된 전자제품은 아날로그였다. 최근의 집적회로 기술의 발달로 디지털 기술의 비용이 내려서, 지금은 사람과의 인터페이스 등에서 저렴한 디지털회로가 널리 사용되게 되었다.

신호처리에서 아날로그 값 그대로 처리하는 데 곤란하기 때문에 디지털처리를 하게 된다. 그러나 현실 세계와의 접점은 아날로그 값의 입출력이 필요하다. 따라서, 주어진 아날로그 값의 정보를 손실 없이 디지털 값으로 변환하거나, 디지털 값의 정보를 손실 없이 아날로그 값으로 변환할 지에 대한 고려를 해야한다. 아날로그회로는 디지털회로와 비교하여 다음과 같은 특징이 있다.

㉠ 잡음 및 간섭하는 온도 변화 등 외부 요인에 약하다.
㉡ 소자 격차의 영향을 받기 쉽다.
㉢ 간단한 회로로 실현할 수 있다. 그러나 고급이나 고성능을 만들려고 하면 복잡하 고 크고 비싸게 된다.
㉣ 수동 부품이 필요하기 때문에 소형화에 적합하지 않다.

3. 학습 분야

아날로그전자회로의 학습내용은 다이오드, 트랜지스터, FET, 연산증폭기 등의 기본적인 특성을 이해를 목적으로 한다. 또한, 이를 바탕으로 트랜지스터증폭기, FET증폭기 및 전력증폭기 등을 설계에 대하여 학습한다. 트랜지스터 등의 능동 소자를 이용한 전자회로의 주파수 특성 분석 방법에 대해 배운다. 또한 응용 회로로서, 발진회로, 능동필터, 변조 및 복조회로, 정전압 조정기 회로 등을 학습한다.

1) 다이오드와 바이폴라 트랜지스터

(1) 학습목표

다이오드

① 다이오드의 전류, 전압의 특성과 바이어스에 대하여 학습한다.
② 다이오드의 응용 회로를 이해한다.
③ 트랜지스터의 구조와 동작을 학습한다.
④ 트랜지스터 바이어스회로에 대하여 학습한다.
⑤ 바이폴라증폭기(BJT)에 대하여 학습한다.

(2) 학습내용

다이오드의 pn접합이 어떻게 형성되었는가를 학습한다. 공핍 영역과 전위장벽에 대하여 이해한다. 다이오드의 전류, 전압의 특성 곡선을 해석하고, 순방향과 역방향 바이어스에 대하여 동작을 이해하도록 한다. 다이오드의 응용 회로인 반파정류회로, 전파정류회로의 동작을 학습한다. 바이폴라 접합 트랜지스터의 기본 구조를 학습한다. npn과 pnp트랜지스터의 동작을 이해한다. 트랜지스터의 증폭작용과 스위치작용을 이해한다. 증폭도를 계산하고, 트랜지스터의 스위칭회로의 기본적인 응용을 학습한다.

트랜지스터의 직류 바이어스에서 직류 부하선과 Q점에 대해 학습한다. 선형동작, 포화 및 차단에 대한 조건을 이해한다.

2) 전계효과 트랜지스터(FET)

(1) 학습목표

① JFET의 개요와 특성, 바이어스에 대하여 학습한다.
② MOSFET 특성과 파라미터, 바이어스에 대하여 학습한다.
③ FET 증폭기에 대하여 학습한다.

JFET

MOSFET

(2) 학습내용

전계효과트랜지스터(FET)는 하나의 전하 반송자만을 이용하는 단극성 소자이다. 접합형(JFET)과 금속산화물형(MOSFET)의 두 종류가 있다. FET는 전압제어 소자로서 게이트와 소스 단자 사이의 전압으로 전류를 제어한다. JFET 파라미터의 의미를 이해한다. 핀치 오프전압, 차단전압, 드레인 전류에 대한 의미를 파악한다. 또한 JFET의 바이어스 방법, 전달 특성곡선 변화와 동작점인 Q점에 미치는 영향 등을 학습한다. 공핍형과 증가형 MOSFET에 대해 학습한다. MOSFET의 증폭기의 동작에 대해 학습한다. 공통드레인, 공통게이트, 공통 소스 증폭기의 이득과 특성에 대하여 학습한다.

3) 전력증폭기

(1) 학습목표

① A급, B급, AB급 푸시풀증폭기, C급 증폭기에 대하여 학습한다.
② 증폭기의 주파수 응답에 대하여 학습한다.
③ 저주파, 고주파증폭기 응답에 대하여 학습한다.
④ 다단증폭기의 주파수 응답을 학습한다.

(2) 학습내용

증폭기가 바이어스되었을 때 입력신호의 전주기(360°)에 대해 선형 영역에서 동작하는 것을 A급 증폭기라 한다. A급 대신호증폭기에 대한 동작 설명과 해석을 학습한다. Q점과 다단증폭기에 대한 전압과 전력 이득의 결정, 효율 결정에 대해 학습한다.

입력 주기의 180°에 대하여 직선 영역에서 동작되고, 나머지 180°에 대하여 차단되도록 동작하는 B급 증폭기, 180°보다 조금 큰 영역에서 도통되도록 한 AB급 증폭기의 동작에 대해 학습한다. 최대 출력전력과 효율을 결정한다. 이들 증폭기의 푸시풀증폭기의 바이어스 및 구동방법에 대하여 학습한다.

4) 연산증폭기(operational amplifier)

(1) 학습목표

① 연산증폭기의 입력모드와 파라미터에 대하여 학습한다.
② 부귀환을 갖는 연산증폭기에 대하여 학습한다.
③ 연산증폭기회로에 대하여 학습한다.

연산증폭기

연산증폭기 심볼

(2) 학습내용

선형 집적회로 중에서 가장 다목적으로 광범위하게 사용되는 것이 연산증폭기이다. 단일입력, 차동입력, 동상모드제거비, 입력오프셋, 입력바이어스 전류, 슬루율, 주파수 응답 등에 대하여 학습한다. 연산증폭기의 기본 동작에 대하여 학습한다. 또한, 개방루프 및 폐루프 주파수 응답, 대역폭, 위상변이, 주파수와 관련된 파라미터에 대하여 학습한다. 부귀환 효과에 대하여 이해하도록 한다. 연산증폭기를 이용한 기본적인 응용회로인 증폭회로, 가산회로, 미적분회로 및 비교회로 등의 동작에 대하여 이해한다.

5) 능동필터

(1) 학습 목표

① 기본적인 필터응답 특성에 대하여 학습한다.
② 능동 저역통과필터, 고역통과필터에 대하여 학습한다.
③ 능동 대역통과필터, 능동 대역저지필터에 대하여 학습한다.

(2) 학습 내용

저역통과필터의 주파수 응답, 차단주파수와 대역폭을 학습한다. 고역통과필터, 대역통과필터 및 대역저지필터의 차단주파수, 응답 특성을 이해한다.

6) 발진기, 통신회로 및 정 전압조정기 등

발진기는 입력신호 없이 출력을 만드는 회로로서, 트랜지스터와 연산증폭기를 이용한 정현파, 구형파, 삼각파 및 톱니파 발진기의 설계와 기본동작을 학습한다. 통신회로의 기본인 수신기, 혼합기, 진폭변조, 주파수변조기 등의 동작 특성과 회로에 관하여 학습한다. TV수신기, 모뎀, 데이터 동기화회로, 원격 측정 수신기 등 통신 응용에 폭넓게 사용되는 위상동기루프(PLL: Phase-Locked Loop)에 대하여 학습한다. 이 밖에 일정한 출력 전압을 유지되도록 동작하는 정전압 조정기의 동작과 설계에 대하여 학습한다.

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