ch. 9ch. 9 fet amplifiers and sihi i iswitching...

Ch. 9Ch. 9 FET Amplifiers and S i hi i iSwitching circuits

Yun SeopYu동작

JFET 증폭기

R 0V d 로 VG유지- RG: 0V dc로 VG유지ac 신호의 부하영향 차단

180 위상차 (V 와 V )-180 위상차 (VGS와 VDS)-바이어스 전압: Rs 양단의 전압강하에 의해서

Yun SeopYu동작

JFET 증폭기 그래프 해석ID V 가 Q점에서 음의 값으로D

IDSS

I

-VGS가 Q점에서 음의 값으로변하면 Id 감소- VGS가 Q점에서 양의 값으로변하면 I 증가

Q IDQ

Id 변하면 Id 증가MOSFET도 비슷하다.

VGS 2⎞⎛

VGS(off)

V

Vgs )(

1 ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

offGS

GSDSSD V

VII

VGSQ

Signal operation with n-channel JFET

⎠⎝

n channel JFET

Yun SeopYu동작

JFET 증폭기 그래프 해석VDS = VD-VS = VDD-ID(RD+RS)ID = -VDS/(RD+RS)+ VDD/(RD+RS)I

부하선

D DS D S DD D S

부하선y절편: VDS= 0 ID= VDD/(RD+RS)x절편: ID= 0 VDS = VDD

ID

IdVgs

부하선

VIDQ QVgs

V ↑ I ↑ V ↓

VGSQDQ Q

Vds

VGS ↑ ID ↑ VDS ↓VGS ↓ ID ↓ VDS ↑VDSQ0 VDS

ds

n-channeloperation

Yun SeopYu동작

D-MOSFET 증폭기 그래프 해석

ID

enhancement

Id

Q IDQ

VGS

V

depletion

VGS(off)

VGSQ

Vgs

VGSQ

Yun SeopYu동작

E-MOSFET 증폭기 그래프 해석

ID

Id

QIDQ

V VVGS VGS(off)

VGSQ

Vgs

예제 9 1 VGSQ예제 9-1

Yun SeopYuFET 증폭

등가회로

gm = ΔID/ΔVGS 교류 gm = gm D GS gmId/Vgs

DId = gmVgsD

G gmVgsgmVgs r’d

간략화된 모델

Vgs

G gmVgs

G

r dsr′gs r’gs and r’ds

∞

SVgs

SS

Yun SeopYuFET 증폭

전압이득

Vout= VdsD

G

IdD

RAv = |Vout/Vin|

VgsgmVgs

Rdv out/ in

= |-IdRd/Vgs|

S = |-gmVgs Rd/Vgs|

g R= gmRd

Yun SeopYuFET 증폭

예제 9-1) JFET gm = 4 mS, Rd = 1.5 kΩ Av ?

Av = gmRd = (4m)(1.5k) = 6

Yun SeopYuFET 증폭

이득에서 외부 소스저항의 영향

V Vi = V + g V RSVout

IdD

Vin = Vgs + gmVgs RS

Av = |Vout/Vin|

VgmVgs

G

R

= |-IdRd/[(1+ gmRS)Vgs]|

[( ) ]Vgs

S

Rd = |-gmVgsRd/[(1+ gmRS)Vgs]|

= g Rd/(1+ g RS)RS

= gmRd/(1+ gmRS)

Av 감소

예제-extra) gm = 4 mS, Rd = 1.5 kΩ, RS = 560Ω Av ?

A = g R /(1+ g R ) = (4m)(1 5k)/[1+(4m)(560)]=1 85 감소Av= gmRd/(1+ gmRS) = (4m)(1.5k)/[1+(4m)(560)]=1.85 감소

Yun SeopYu공통 소스 증폭기 (CS Amp.)

JFET CS Amp.

• 분석절차1. dc 분석

바이어스 체크 (Q점)2. Ac 분석

a. Capacitor shortb. inductor openc. dc source groundd. 등가회로 삽입

증폭이득 입력저항증폭이득, 입력저항,출력 저항 등 체크

Yun SeopYu공통 소스 증폭기 (CS Amp.)

JFET CS Amp. – dc 분석 (Q점)

Va. 중점 바이어스 이용

ID = IDSS/2, VGS = VGS(off) /3.4

+VDD

R I

b. Otherwise, ID 계산:

2⎞⎛

RD

VG

VD

ID

2

)( ||1 ⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

offGS

SDDSSD V

RIIIR

VG

VS)( || ⎠⎝ offGS

VGS = -VS = -IDRS.ID : 이차방정식의 해

RS

RG

Then, VDS = VD-VS = VDD-ID(RD+RS)DC Equivalentcircuitcircuit

Yun SeopYu공통 소스 증폭기 (CS Amp.)

JFET CS Amp.– ac 분석

Rin: very high IG ≈ 0

Vgs = Vin

Av = |Vout/Vin|

Vout

IdD

Av = |Vout/Vin|

= |-IdRd/Vgs| = gmRd

Rd = RD//RL

V A V R V

RdVinV

G

d

Vout = AvVin = gmRdVin

위상 반전

IGSS 고려하면RG

VgsgmVgs

SGSS

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= GS

Gin IVRR //

AC equivalent circuit

⎟⎠

⎜⎝ GSSI

Yun SeopYu공통 소스 증폭기 (CS Amp.) -예제9-5

예제 9-4 수정) JFET IDSS = 8 mS, VGS(off) = -10V

VDD = 12 V, RD = 3.3 kΩ, RS = 2.7 kΩ, RG = 10 MΩ, Vin = 100 mVrms

- dc 분석 (Q점)

+VDD VG = 0 VGS = VG-VS = - VS

I RRD

VVD

ID =-IDRS2

1 ⎟⎟⎞

⎜⎜⎛−= GS

DSSDVII

R

VG

VS

2

)(

1 ⎟⎞

⎜⎛+

⎟⎠

⎜⎝

SD

offGSDSSD

RII

V

RS

RG

)(

1 ⎟⎟⎠

⎜⎜⎝+=

offGS

SDDSS V

I

이차 방정식 해: ID이차 방정식 해: ID

Yun SeopYu공통 소스 증폭기 (CS Amp.) -예제9-5

],2[1 22)(

2)(2

)(

2

)(

++=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+= RIRIVV

VI

VRIII SDSDoffGSoffGS

offGS

DSS

offGS

SDDSSD

0012 2

)(

22

)(

2

)()(

=++>−−=+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−+

⎠⎝

CBIAIIIV

IRIV

IRDDDSSD

offGS

DSSSD

offGS

DSSS

ffff

)()( ⎠⎝ ffff

2 2DSS S

2 2GS(off)

I R (8m)(2.7k)A 583.2,V ( 10)

= = =−

S DSS

GS(off)

2R I (2)(2.7k)(8m)B 1 1 5.32,V 10

C I 8m

=− + =− + =−−

= =DSS

22

D

C I 8m,

( 5.32) ( 5.32) 4(583.2)(8m)4I 7.2mA, 1.9mA2 2(583.2)

B B ACA

= =

− − ± − −− ± −= = =

D DD D D

S

( )V V I R 12 (1.9m)(3.3k) 5.73VV= − = − =

D SI R (1.9m)(2.7k) 5.13VV V V V 513V= = =

GS G S SV V V V 5.13V= − =− =−

Yun SeopYu공통 소스 증폭기 (CS Amp.) -예제9-5

– ac 분석 Vout

IdD

RDVing V

G

RG

VgsgmVgs

S

Av = |Vout/Vin| =|-IdRD/Vgs|

5.13

,1.6mS10

2(8m)||

2

)(

−

===

GS

offGS

DSSmO

V

VIg

Av |Vout/Vin| | IdRD/Vgs|

=|-gmVgsRD/Vgs| = gmRD

=(779μ)(3.3k) = 2.57S779)

105.13(1.6m)(1)1(

)(

μ=−

−=−=offGS

GSmOm V

Vgg( μ)( )

Vout = AvVin = (2.57)(100mVrms)= 257 mV= 257 mVrms

Yun SeopYu공통 소스 증폭기 (CS Amp.) -예제9-6

예제 9-5 extra와 같으나 부하에 부하저항 RL =4.7 kΩ 이 있는 경우Av ?

Vout

IdD

RdVinV

G

d

RG

VgsgmVgs

S

R = R //R =(3 3k)||(4 7k)=1 94 kΩRd = RD//RL=(3.3k)||(4.7k)=1.94 kΩ

Av = |Vout/Vin| =|-IdRd/Vgs|=|-gmVgsRd/Vgs| = gmRd =(779μ)(1.94k) = 1.5감소감소

Yun SeopYu공통 소스 증폭기 (CS Amp.) -예제9-7

예제 9-6) JFET VGS = 10 V IGSS = 30 nA 입력저항 Rin ?

VDD = 18 V, RD = 1 kΩ, RS = 100 Ω, RG = 10 MΩ, RL = 10 kΩ

// ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= GS

Gin IVRR

IGSS

9.7MΩ31010M)//( =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

⎟⎠

⎜⎝ GSSI

3n)( ⎟

⎠⎜⎝

Rin RIN(gate)=VGS/IGSS

Yun SeopYu공통 소스 증폭기 (CS Amp.)

D-MOSFET CS Amp.

dc/ac 분석은 JFET과 유사

ID = IDSS at VGS = 0

Once ID is known,

V V I RVD= VDD - IDRD

Av = gmRd

Yun SeopYu공통 소스 증폭기 (CS Amp.)- 예제 extra

예제 extra) D-MOSFET, IDSS = 12 mA, gm = 3.2 mSVDD = 15 V, RD = 620 Ω, RG = 10 MΩ, RL = 8.2 kΩ, Vin = 500 mVmVrms

DC 분석

ID

IG= 0 VG = 0 VGS

= 0

ID = IDSS = 12 mA

VD

ID ID = IDSS = 12 mA

VG

VDS = VD= VDD – IDRDVDS VD VDD IDRD

= 15 – (12m)(620) = 7.56 V

Yun SeopYu공통 소스 증폭기 (CS Amp.)- 예제 9-8

AC 분석

Vout

ID

Rd = RD//RL=(620)||(8.2k)=576 Ω

RdVG

Id Av = |Vout/Vin| =|-IdRd/Vgs|

=|-gmVgsRd/Vgs| = gmRd

(3 2 )(576) 1 843d

RG

Vin

VgsgmVgs

S

=(3.2m)(576) = 1.843

V A V (1 843)(500 V )S Vout = AvVin = (1.843)(500mVrms)= 922 mVrms

Yun SeopYu공통 소스 증폭기 (CS Amp.)

E-MOSFET CS Amp.

Yun SeopYu공통 소스 증폭기 (CS Amp.)

E-MOSFET CS Amp. – dc 분석 (Q점)

IDDDG V

RRRV ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

= 2

VD

ID RR ⎟⎠

⎜⎝ + 21

VS = 0VGS = VG - VS = VG

VG

IG≈0

( )2)(thGSGSD VVKI −=VG

VSVDS = VDD – IDRD

Yun SeopYu공통 소스 증폭기 (CS Amp.)

E-MOSFET CS Amp. – ac 분석

Rin: very high IG ≈ 0

Vgs = Vin

Av = Vout/VinVAv = Vout/Vin

= -IdRd/Vgs = -gmRd

Rd = RD//RL

V A V R V

Vout

Id

Vout = AvVin = -gmRdVin

IGSS 고려하면RdVin

VgmVgs

G

gateINin RRRR = )(21 ////R1//R2

Vgsgm gs

R

GSgateIN

gateINin

IVR =)(

)(21

AC i l i i

RinRIN(gate)

GSSIAC equivalent circuit

Yun SeopYu공통 소스 증폭기 (CS Amp.)-예제 9-8 extra

E-MOSFET CS Amp. VGS(th) = 4 V, VGS = 10 V ID(on) = 5 mA, VDD = 15 V, gm = 5.5 mS, RD = 3.3 kΩ, R1 = 47 kΩ, R2 = 33 kΩ, RL = 33 kΩ, Vin = 50 mVrms

– dc 분석 (Q점)2 ⎟⎞

⎜⎛

VRV

ID 19V6(15)47k21

2

=⎟⎞

⎜⎛=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

= DDG VRR

RV

VD

ID

IG≈0

19V.6(15)k3347k

=⎟⎠

⎜⎝ +

=

VGS = VG = 6.19 V

( )2

5I

VG

VS

( )

0667 A1).19(0.319m)(6 2

2)(

−=

−= thGSGSD VVKI

( ) ( )2

22)(

)(

mA/V1390

4105m−

=−

=thGSGS

onD

VVI

K0.667mA=

VDS = VD = VDD – IDRD

=15-(0.667m)(3.3k)12 8VmA/V139.0= =12.8V

Yun SeopYu공통 소스 증폭기 (CS Amp.)-예제9-9 extra

AC 분석

Rd = RD//RL=(3.3k)||(33k)=3 kΩ

Vout

I

Av = |Vout/Vin| =|-IdRd/Vgs|

=|-gmVgsRd/Vgs| = gmRd

(5 5 )(3k) 16 5

RdVG

Id =(5.5m)(3k) = 16.5

V A V (16 5)(50 V )Rd

R1//R2

Vin

VgsgmVgs

Vout = AvVin = (16.5)(50mVrms)= 825 mVrms

Yun SeopYu공통 드레인 증폭기 (CD Amp.)

Source Follower – dc 분석 (Q점)

VGS = VG – VS

= 0 - IDRSD S

= -IDRS

Yun SeopYu공통 드레인 증폭기 (CD Amp.)

Source Follower – ac 분석

Rin = RG//RIN(gate)

Vout = IdRs = gmVgsRsIdD

g

Rs= RS//RL

Vin = Vgs + IdRs = Vgs+ g V R = V (1+g R )

Vin gmVgs

G

d

gmVgsRs = Vgs(1+gmRs)

1== smout

vRgVARs = RS//RL

RG

Vgs VoutS

11

≈+ smin

v RgVRIN(gate)Rin

gmRs >> 1

AC equivalent circuit

gm s

Yun SeopYu공통 드레인 증폭기 (CD Amp.)-예제9-10

그림 9-21 규격표 (최소값 선택) 이용 Av, Rin ?

P 채널 JFET, IDSS = 1 mA, VGS(off) = 0.75 V, gm = 1000μS, VGS = 20 V I 5nA20 V IGSS = 5nA,

RS = 10 kΩ, RG = 10 MΩ, RL = 10 MΩ, VDD = 10 V, Vin = 50 mVrms

ID

2N5460 V g VG

Id

2N5460

R R //RRG

Vin

Vgs

gmVgs

VoutS

Rs = RS//RL

RIN(gate)Rin

R R //R (10k)||(10M) 10 kΩ

0.909(1m)(10k)1

(1m)(10k)1

|| =+

=+

=+

=+

==sm

sm

gsmsgs

gsms

dsgs

ds

in

outv Rg

RgVgRV

VgRIRV

IRVVA

Rs= RS//RL = (10k)||(10M) ≈ 10 kΩ

smgsmsgsdsgsin

Ω≈==

===

MMMRRRnI

VR

gateINGin

GSS

GSgateIN

10)400//()10(//

MΩ400520

)(

)(

Yun SeopYu공통 게이트 증폭기 (CG Amp.)

– dc 분석 (Q점)자기 바이어스

Yun SeopYu공통 게이트 증폭기 (CG Amp.)

– ac 분석

gs

dd

in

outv V

RIVVA

−−

==Vout

IdD

dmdgsm

gsin

RgRVg==gmVgs

G

d

Rd

Vgsdm

gs

gV

1gsi VV −RS

Vin

SRd

Rin(source)

)(1

mgsm

gs

in

insourcein gVg

VIVR =

−==Rin

)(// sourceinSin RRR =AC equivalent circuit

Yun SeopYu공통 게이트 증폭기 (CG Amp.) – 예제 9-11

그림 9-21 규격표 (최소값 선택) 이용 Av, Rin ?

P 채널 JFET (2N5462) CG Amp., gm = 2000 μS,

R 4 7 kΩ R 10 kΩ R 10 kΩ V 15 VRS = 4.7 kΩ, RD = 10 kΩ, RL = 10 kΩ, VDD = 15 V

Vout

ID

VG

Id

VgsRd= RD//RL

( ) ( )

2N5462R

Vin

gmVgs

S

Vgs

Rin(source)

= (10k)||(10k) = 5 kΩ

RVRIV

RSin

Rin

10)5)(2000( ====−−

== kRgV

RVgVRI

VVA dm

gs

dgsm

gs

dd

in

outv μ

Ω−

50011gsin VVR

Ω===

Ω===−

==

45200)(4.7k)//(5//

5002000

)(

)(

sourceinSin

mgsm

g

in

insourcein

RRR

gVgIR

μ

Yun SeopYu

Yun SeopYu

Homework

All Examples

Selected Problems(P.497-503): 10 11 20 24 30503): 10, 11, 20, 24, 30

34

Yun SeopYu

Yun SeopYu

Yun SeopYuActive Antenna

- An active antenna driving a receiver or a coax through a buffer

The low output impedance buffer can be a BJT emitter-follower or p pan impedance-matching transformer.

Yun SeopYuActive Antenna

- Cascode amplifier for active antenna

This active antenna has a voltagegain of approximately 2000 at 88MH d i f i t lMHz and a gain of approximately10,000 at 1 GHz which makes itapplicable for the FM broadcastband some TV channel bandsband, some TV channel bands,some amateur radio (HAM) bands,cell phone bands, and manyothersothers.

Yun SeopYuActive Antenna

Simulate the active antenna circuit using your Multisim software.Measure the output voltage at 10 MHz, 100 MHz, and 500 MHz.