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