집밖은 위험해

BJT 증폭기 종류

- 공통 이미터 증폭기 CE : 베이스 입력 신호 -> 컬렉터 출력

- 공통 컬렉터 증폭기 CC : 베이스 입력 신호 -> 이미터 출력

- 공통 베이스 증폭기 CB : 이미터 입력 신호 -> 컬렉터 출력

- 증폭 시키고자 하는 신호와 입력/부하 단의 임피던스를 어떻게 할지에 따라 증폭기가 결정

공통 이미터 증폭기

- 가장 많이 사용. 기준 단자로 이미터,  베이스 입력 컬렉터로 출력나옴

- 이미터를 교류 접지

- V_in과 V_out의 위상차는 180도

직류 동작 해석 방법

- 바이어스 상태 분석

 => 캐패시터를 개방 회로로 변환

 => 직류 등가 회로로 본다

- V_E = V_B - V_BE

 * V_BE는 쇼트키는 0.3, 실리콘은 0.7 일반적으로 실리콘으로 쓰므로 0.7V

- I_E = V_E/R_E로 구함

교류 등가 회로

- 캐패시터의 임피던스 = 1/(j*2*pi*f)로 주파수에 반비례

  => 주파수가 매우 큰 경우 캐패시터는 0옴 => 단락으로 볼수있다.

- 직류 전압원 : 전압/전류 제공

  내부 저항이 큰 경우 -> 전력 손실 큼 -> 외부 회로에 충분한 전력 제공 힘듬

  => 0으로 대치한다

베이스 입력 저항

- 교류 전원 내부 저항 R_s가 증폭기 회로 저항보다 작은 경우 V_b = V_s로 가정

- 증폭기 외부에서 베이스 단자를 입력으로 봤을 때 저항

출력 저항

- 증폭기 외부에서 컬렉터 단자를 봤을 때 저항

 = 컬렉터 단자 내부저항 r'_c와 외부 저항 R_C의 합성 저항

     * r 파라미터인 r'_c는 매우 큼 => 개방 상태로 보자

 => 출력저항 R_out = R_C 

정리 하자니 감당이 안되니 예제와 함께 정리하면...

CE 증폭기 요약 및 예제

- 직류 측면 : 전압 이득(바이패스 캐패시터가 높여줌)

- 교류 측면 : 베이스 입력 저항, 총 입력 저항, 전류 이득, 전력 이득

* r_e는 중요한 r 파라미터로 다음과 같이 구할 수 있다.

다음의 CE 증폭기가 주어질 때

- 전압 이득, 전류 이득, 전력 이득을 구하자

증폭기별 활용

- 공통 이미터 증폭기 : 적절한 입 출력 저항과 큰 전압 이득을 얻는다 => 많이 사용됨

- 공통 컬렉터 증폭기 : 전압 이득은 작으나 전류 이득 큼, 입력 저항이 높음 => 낮은부하 구동시 부하 영향 최소화(버퍼)

                           + 출력 저항이 작다 => 작은 저항을 갖는 부하에 유용

- 공통 베이스 증폭기 : 전압 이득 큼, 전류 이득/입력 저항 작음 => 출력 저항이 매우 작은 신호원에 사용

증폭

- 증폭 : 신호를 키우는 것

- 처리 방식 : 아날로그, 디지털

- 방법 : 선형(이득이 일정), 비선형(입력 크기에 따라 이득이 변화)

BJT 증폭기 동작

- 트랜지스터의 바이어스는 직류 동작 B C E

- 교류신호의 증폭은 교류 동작 b c E

- 증폭기에 인가되는 직류 전원과 교류 전원을 나누어서 해석해 보자

직류 교류 표기

- 직류는 대문자 첨자

- 교류는 소문자 첨자

- 순시치의 경우 소문자

컬렉터 특성곡선 재정리

- I_B가 고정되도록 V_BB 설정, V_CC = 0

   => V_CE = 0V, V_BE = 0.7V

   => B-C 접합 : 순방향,  B-E 접합 : 순방향 바이어스

- V_CC 증가 시(V_CE가 0.7V 이하)

  -> I_C 증가(V_CE가 0.7V까지 급상승),

    + V_CE는 0.7V이상 증가하지 않는걸로 보자(V_BE = 0.7V인 이상 B-C가 순방향 바이어스이므로)

- V_CC 증가 시(V_CE 0.7V 초과)

 -> B-C 접합 : 역방향, B-E 접합 : 순방향 바이어스

 -> I_C는 거의 일정하게 유지

   V_CE가 더 증가해도, I_B가 고정되었으므로 공핍층 증가

   = 베이스 영역의 재결합에 필요한 정공 수 감소

   = 적은 I_B로 I_C 증폭 가능 = Beta_DC가 조금 상승

=> 활성 영역에서 V_CE가 크게 오르는 동안 I_C는 조금씩 증가

* 컬렉터 특성 곡선 유의 사항

 - 컬렉터 특성곡선은 고정된 I_B를 가정하여, V_CE 증가에 따른 I_C 변화를 나타냄

 - 활성 영역에서 전류가 수백배 증폭하지 않고 수평에 가깝게 조금씩 증가하는건, I_B 고정, Beta가 조금씩 커지기때문

 - I_C = Beta_DC * I_B이므로 I_B와 I_C의 값과 단위가 나와있거나 여러 I_B 값에 대한 곡선을 보는것이 이해하기 좋음

* 진짜 컬렉터 특성곡선이 이해가 안되서 며칠을 해맸다.

선형 증폭기

- 증폭 과정 : 내부 저항 R_s를 갖는 교류 전압원을 전압 분배 바이어스 소신호 증폭기로 증폭

- V_ce : R_C에 의한 전압 강하로 출력 전압은 컬렉터 전류의 위상과 180도 반전

직류 부하선 그래프 해석

- 직류 바이어스로 적절한 부하점 Q를 설정하면 교류 신호는 Q점을 기준으로 변동

- I_c는 I_b의 크기에 비례

- V_ce는 교류 전류 I_c의 크기에 반비례

- 해석 순서

 1. I_b 변화에 따라 I_c가 바뀜

 2. I_c 변하면서 V_ce가 바뀜

 => I_b -> I_c -> V_ce 순서로 보자

교류 등가회로

- 트랜지스터의 동작을 나타내기 위해 트랜지스터의 내부 파라미터 이용

- r, h 파라미터가 있다.

r 파라미터

- 증폭기를 이해하기 위해 등가 회로로 표현

- 저항성 r 파라미터는 BJT에서 보편적으로 사용

- 트랜지스터 각 단자의 저항을 의미함.

- r'b는 매우 작으므로 단락상태로, r'c는 매우 크므로 개방 상태로 보고 r'e만 남는 등가회로로 해석 가능

r'e

- r'e는 25mV/I_E로 구함

직류 베타 beta_DC와 교류 베타 beta_ac

- I_C와 I_B 특성 곡선은 비선형

 => 교류 전류 이득 beta_DC != 직류 전류 이득 beta_ac

h 파라미터

- h(hybrid) 파라미터는 입력 전류/전압과 출력 전류/전압의 관계로 정의

- 입출력 전류/전압을 측정하여 트랜지스터 특성 파악 가능

- 각 h 파라미터들을 입력/출력단 개방하여 쉽게 측정

트랜지스터 증폭기

- 입출력 단자 조합에 따라 공통 이미터/베이스/컬렉터 증폭기로 구분

증폭기 분석

- h 파라미터로 다음의 r 파라미터를 구하여 분석 가능

직류 베타(직류 전류 이득)

- 이미터 접지시 컬렉터 전류/베이스 전류 = 수십~수백

- H_FE = Beta_DC = I_C/B_C

- 적은 베이스 전류로 많은 컬렉터 전류 조절 = 직류 전류 이득 = 트랜지스터 증폭 성능

직류 알파

- 컬렉터 전류/이미터 전류 = 1에 가깝다

직류 전류 이득 관계 정리

트렌지스터 6가지 직류

- V_BE : 다이오드 순방향 전압으로 0.7V(쇼트키 0.3, 실리콘 0.7V) 정도

 + 키르히호프 전압/ 옴의 법칙으로 6개의 직류 해석

컬렉터 특성곡선

- 베이스 전류 고정 시 C-E 전압 V_CE 변화에 따른 I_C 변화에 대한 곡선

- 실제 Tr의 동작을 파악할 수 있다.

  1) 포화영역 :  1. B-E 접합이 순방향,   2. V_CE가 V_BB보다 작을 시

                  => B-C 접합이 순방향(역방향 X) => V_CC가 0.7V 될때까지 지속됨

  2) 활성영역 : V_CC가 0.7V 이상이 되면 B-C 접합은 역방향 바이어스가 되면서 I_C는 더이상 증가하지 않음.

  3) 항복영역 : 컬렉터 전압이 높아져, 항복 전압을 넘긴 상태

                   컬랙터 전류 급격한 변화로 Tr 파손

직류 부하선 Load Line

- 컬렉터 전류 I_C가 흐르지 않는 V_CE 상 차단점 V_CC에서 I_C가 더이상 증가하지 않는 포화점까지 연결한 선

- 동작점들을 연결한 선

* 차단점 : I_C가 흐르지 않는 V_CE 상의 차단점

* 포화점 : I_C가 더이상 증가하지 않는 점

* Q1, Q2, Q3 동작점

선형 동작

- 입력 소신호에 왜곡이 없다면 온전한 선형 모양으로 출력

- 입력 베이스 소신호가 200uA ~ 400 uA 사이 값을 갖는 사인파의 경우

- 컬렉터 단자 전압 V_CE는 1.2~ 5.6V 사이의 사인곡선

- 동작점 Q는 3.4V가 된다.

파형 왜곡

- 동작점을 적절히 설정하지 못한 경우 출력신호에 왜곡 발생

전압분배 바이어스

- Tr을 동작하기 위해선 바이어스로 V_CC, V_BB 두개 필요

- 경제성과 안정성을 위해 2전원 대신 1전원으로 널리 사용되는 바이어스 방법

- V_CC로 저항 분배하여 베이스 단자 전압 조절

- 온도 안정성이 가장 좋으나 복잡하다.

전압분배 바이어스 계산 예제

고정 바이어스(베이스 바이어스) 회로

- 베이스 단자를 V_CC와 저항으로 연결한 간단한 회로

- I_B = (V_CC - V_BE)/R_B이므로 V_CC가 주어질때 I_B는 일정하므로 고정 바이어스 회로가 된다.

- 온도가 오르면 저항이 작아지므로 I_C는 증가

  -> 동작점이 변경 -> 출력 파형이 왜곡 or 열폭주 or 트랜지스터 파괴

=> 고정 바이어스 회로는 간단하지만 온도 안정성이 좋지 않다.

자기 바이어스(컬렉터 귀환 바이어스) 회로

- 베이스 바이어스 저항 R_B가 컬렉터 이미터 전압 V_CE에 연결된 회로 

- 온도 상승 -> I_C 상승 -> I_C * R_C(=V_RC) 증가 -> V_CE는 줄어든다 (V_B도 줄어듬) ->I_B가 감소하므로 I_C도 감소

- 온도 보상이 적용되어 고정 바이어스보다는 온도 안정성이 좋다. 

BJT

- Bipolar Junction Transistor 양극 접합 트랜지스터

- npn, pnp 형 접합

- 다수캐리어 전자, 소수캐리어 정공

- 두 극성이 이용됨

* UJT

- Unifpolar Junction Transistor

- 단극성으로 다수 캐리어만 사용한 트랜지스터

- ex : FET

* Transistor

- Trans : 변화

- Resistor : 저항

- 전압이 일정해도 저항을 변화시켜 전류도 변화시킴

전력 트랜지스터

- 전자회로에서 1A는 크다.

- 1A 큰 전류/전압을 사용하는 곳에서 전력 트랜지스터 이용

 ex) 오디오에서 스피커로 음성 출력시 전력 트랜지스터 필요

-> 출력 전력이 클수록 열이 발생 -> 방열판 필요

RF 트랜지스터

- 수십 MHz 이상 주파수 신호를 처리시 사용

- 일반 트랜지스터와 동일하나 방열을 위한 다른 형태의 케이스 사용

바이어스

- 소자/장치 동작을 위해 인가하는 전압/전류

- 트랜지스터 동작을 위해선 동작 목작에 따라 적절한 바이어스가 필요

npn,pnp TR 동작 시 바이어스

- B-E : 순방향 바이어스

- B-C : 역방향 바이어스

Tr 동작 과정 (npn)

1. B-C 접합 사이 역방향 바이어스가 걸리면서 공핍층이 증가

2. B-E 접합 사이 순방향 바이어스가 걸리면 일부 전자들이 베이스의 정공과 결합하고, 일부는 컬렉터까지 넘어감

3. E의 전자들이 C까지 넘어가면서 전류 I_B와 I_C가 흐른다

아두이노 우노보드 주요 특징

- ATmega328p(32kb : 플래시 메모리, 8bit MCU) MCU를 이용한 보드

  * MCU 마이크로 컨트롤러 : 계산, ADC, PWM 등 포함

- 14개의 디지털 입출력(0~13핀)과 그 중 6개는(~3, ~5, ~6, ..: ~ 붙은 IO핀) PWM 제어가 가능

  * PWM Pulse Width Modulation : 펄스 폭 변조를 통해 조명 밝기, 모터(스텝, 서버) 제어 가능

- 6개의 아날로그 핀, 16MHz의 클럭 발진기, USB 커넥터, DC 파워잭, ICSP(ISP 단자), 

   => PC에서 USB, 파워잭으로 AC-DC 어뎁터, 베터리로 전원 공급 가능 

ref : https://docs.arduino.cc/hardware/uno-rev3

우노 보드 스펙

스루홀 마운팅과 표면 실장 방식

- 스루홀 마운팅 THM : PCB 구멍을 뚫어 실장하는 방식 

   => 장점 : SMT보다 강한 기계적 결합, 테스트 및 프로토 타이핑에 용이 

- 표면 실장 SMT : 구멍없이 표면에 실장

   => 장점 : THM 부품보다 작아 고밀도, 소형화 가능, 진동에 강함

듀티비와 PWM

- 듀티 비 duty ratio : 한 주기동안 HIGH의 비율

- PWM : 펄스폭 변조. 펄스의 폭을 조절하여 제어하는 방식

   ex) LED 밝기, 모터 속도 등

Arduino UNO 보드 회로도 살펴보기

ref : https://www.youtube.com/watch?v=Er4z2xx-RC0&list=PLXklyWpn9peZWNGhMP2nvt5cTN9YX8Y1u&index=2

라플라스 변환

- 푸리에 변환이 불가능한 비주기 발산 신호를 임의의 복소 지수함수  e^-st를 이용하여 감쇄해 s 영역으로의 변환

라플라스 변환의 예시

+ Z 변환(이산 시간에서의 라플라스변환) 예시

전달 함수

- 시불변 시스템 : 입출력이 시간의 변화에 영향을 받지 않는 시스템(미방의 경우 계수가 시간에 따라 변하지 않음)

- 전달 함수 : 시간 영역에 대한 함수를 라플라스 영역으로 변환한 후 출력/입력으로 나타낸 다항식

- 극점과 영점 : 전달함수 분모의 근을 극점, 분자의 근을 영점

- 응답들 : 임펄스 응답, 계단 응답, 특정 주파수 입력에 대한 주파수 응답

전달함수와 응답들

- 임펄스 응답 : 전달 함수에 임펄스 응답의 라플라스 변환을 곱한 후 역라플라스 변환으로 시간 영역으로 나온 결과

                       = 전달 함수의 역라플라스 변환

- 계단 응답 : 전달 함수에 계단 입력의 라플라스 변환을 곱한 후 역라플라스 변환으로 얻은 결과

- 목표 : 입력과 출력이 동일해 지도록, G(s) = 1 이 되도록 제어 시스템을 설계해야 한다.

물 탱크 채우기 시스템

- 가정 : 바닥 면적 C인 물탱크, 물이 qi(t) 만큼 들어오고, qo(t)만큼 나가며, 수면 높이는 h(t)이며 다음의 관계를 갖는다면

- qi(t) 가 1m^3 이라면 (= 계단 입력)

시스템과 제어

- 시스템 : 로봇, 차량, 기차 등과 같이 기계/전기 요소들로 구성된 것

- 제어 : 시스템이 원하는 동작을 하도록 조절하는 것

- 입력 : 제어 시스템이 행하기를 원하는 동작

- 출력 : 제어 시스템의 반응

- 이상적인 제어 시스템 : 입력 = 출력. 모델링하여 고려할수 없는 것들이 많으므로 현실적으로 불가능.

- 부시스템(제어기) : 실제 시스템에 가깝게 출력을 나오도록 보상해주는 시스템

- 설계 : 최고의 성능을 내도록 제어기를 만드는 것

- 시스템 이론 : 시스템을 시간과 주파수 영역에서 다루며 아래의 해석, 설계 도구를 이용

    - 시간 영역 : 임펄스/계단 응답, 루트 로커스 등

    - 주파수 영역 : 보드/나이퀴스트/니콜스 선도 등

피드백과 제어

- 일반적인 제어 시스템은 피드백의 형태

- 폐루프 시스템 : 피드백을 통해 입력과 출력 사이에 닫혀진 루프가 존재하는 시스템

- 개루프 시스템 : 피드백 없어 루프가 존재하지 않은 시스템

- 자동 제어 : 피드백을 통해 원하는 출력이 나오도록 자동적으로 조절하는 것

- 외란 : 사용자 입력 이외에 시스템의 출력에 영향을 주는 것

- 감도 : 출력이 변동에 영향 받는 정도 -> 피드백을 이용하여 완화 가능

- 안정성 : 환경 변화에도 대처하여 기존의 동작을 유지하는 정도

현대 제어 공학

- 컴퓨터를 활용해 고전적 기법인 보드/나이퀴스트/니콜스 선도와 루트 로커스 등을 쉽게 이용 가능

- 배, 우주선, 로봇 등 다방면으로 활용되고 있음.

제어 시스템 해석 및 해석

- 기본적으로 제어 시스템은 과도 상태를 피드백을 통해 완화하여 정상 상태가 된다.

 => 과도 응답, 정상 상태 응답을 통해 시스템 해석

- 과도 응답 : 정상 상태에 들어가기 전 시스템의 출력으로 시간 영역뿐만 아니라 주파수 영역으로 변환하여 해석 할 수 있다.

- 정상상태 응답 : 과도기를 지난 후 안정된 상태에서의 출력.

- 정상상태 오차 : 입력과 정상상태 응답 사이의 차이

- 안정성 : 시스템 극점의 위치에 의해 안정한지 불안정한지 결정된다.

- 시스템 설계 : 물리적인 것을 만든다기 보다는, 외란과 응답 등에 잘 대응하는 제어기를 설계하는 행위

반도체

- 도체와 절연체의 중간으로 진성반도체에 불순물인 3, 5족 원소를 첨가하여 만든 것

- 진성 반도체(4족 원소) : 실리콘 si, 게르마늄 ge

- 불순물 반도체 

    - p형 반도체 : 최외각 전자가 3개인 3족 원소 Ga In B AL,  갈륨 - 인디윰 - 붕소 - 알루미늄를 섞어 만든 반도체

    - n형 반도체 : 최외각 전자가 5개인 5족 원소. As 비소, Sb 안티몬, Bi 비스무트, P 인을 섞어 만든 반도체

PN 접합과 순방향 바이어스

- PN 접합 : P형 반도체와 N형 반도체를 붙여 만든 다이오드

- 순방향 바이어스 : 전원으로부터 P형 반도체가 +전하를 받아 N형 반도체로 넘어가서 흐르는 방식(공핍층이 작다)

- 역방향 바이어스 : P형 반도체의 양전하는 - 전원으로, N형 반도체의 음전하는 + 쪽으로 몰리며 중간에 공핍층이 넓어짐 

다이오드

- 한쪽 방향으로 전류를 흐르게 만든 반도체 소자로 정류 작용을 한다

- 역방향 전압을 걸면 공핍층과 저항이 증가, 전류는 감소

트랜지스터

- n-p-n 혹은 p-n-p 접합으로 이뤄진 소자를 양극성 접합 트랜지스터 BJT : Bipolar Junction Transistor라 한다.

- 증폭, 스위칭 역활

전계 효과 트랜지스터 FET : Field Effect Transistor

- 게이트 G, 소스 S, 드레인 D 3개의 전극으로 이뤄짐. 게이트에 가한 전압으로 드레인 전류를 제어.

- 종류

   - JFET(게이트와 드레인 사이 역방향 바이어스로 채널 크기 -> 전류량 조정

   - MOS-FET은 금속 산화물로 이뤄진 반도체

- 역방향 전압을 키울수록 공핍층도 커짐 -> 채널폭 수축 (=저항 커짐) -> 출력 전류 I_D 는 감소

평활회로

- C, R, L로 고주파를 제거한 저역통과필터

- 리플 잡음 : 평활 후 직류 전원에 남은 교류 성분

- 유도성 평활회로

   - 코일 직렬 접속, L이 클수록 리플이 작아짐

- 용량성 평활회로 : 콘덴서 병렬 접속

- pi 평활회로 : L과 C를 이용한 평활회로로 가장 성능이 좋으나 비싸며 크다

정전압회로

- 전원, 부하 변동에 따른 전압변동을 안정시키는 회로

- 병렬제어형 : 제어용 Tr과 부하를 병렬 접속. 전력소비 크며, 나쁜 효율

- 직렬제어형 : 제어용 Tr과 부하 직렬 접속. 좋은 효율, 넓은 전압안전범위

* 제너 다이오드 : 정전압 회로에 사용되는 정전압 다이오드. 

 - 제너 항복 : 일정 이상 역전압 시 역방향 전류가 급증하는 현상. 항복 전압을 뒤로 늘려 역전압 시 변동을 줄임

전원회로 구조

- 변압기 -> 정류기 ->평활회로 -> 정전압회로

종류

- 반파정류회로

- 전파정류회로

- 브리지정류회로

반파 정류 회로

'

전파정류회로

브리지정류회로

1. 장점

 - 고압 정류에 적합 : 전파정류회로보다 다이오드가 많아 최대 역전압이 작음

 - 소형 : Tr의 중간탭이 불필요

2. 단점 

- 다이오드 비용, 낮은 효율