트랜지스터를 이용한 300배 증폭기 설계

1. 설계 목적

Vpp 20mV의 교류전압과 DC 전압을 인가하여 Vpp 6V, 즉 300배 증폭기를 만들기 위하여 설계하였습니다.

2. 사용된 부품(데이터 시트) 및 장비

 

'

▸장비

• 오실로스코프 - 입력과 출력 파형을 보기 위해 사용
• 함수발생기 - 교류전압을 인가하기 위해 사용
• DC서플라이 - DC전압 인가를 위해 사용
• 디지털 멀티미터 - 회로에 이상이 있는지 전압 또는 전류를 측정하기 위해 사용'

300배 회로도

4. 결과 및 분석

실제 증폭기를 만들기에 앞서 위 회로도처럼 시뮬레이션을 통해 회로도를 미리 설계해 보았습니다.

위 회로는 1단에서 35배 증폭 후 2단에서 10배를 증폭시켜 Vpp를 7V에 가깝게 만든 후에 푸시풀 회로에 인가시켜 Vpp 6V, 즉 최종적으로 300배가 증폭되도록 설계하였습니다.

그 결과 위 파형과 멀티미터 측정값에서도 알 수 있듯이 작동점이 잘 맞기 때문에 파형 왜곡이나 잘림은 발생하지 않았습니다. 2단에서의 증폭률을 높인 것은 2단에서 300배가 나왔다고 해도 푸시풀을 통과하는 순간 어느 정도 증폭률이 감소되는 것이 확인되어, 최종적으로 원하는 증폭된 값을 얻기 위해서 2단에서 증폭을 더 시켜 최종적으로 원하는 값을 얻을 수 있도록 하기 위해서입니다.

실제 시뮬레이션을 한 결과대로 회로를 구성해 보니 잡음과 파형 짤림 등 때문에 증폭기라고 보기 힘든 파형들이 측정되어 소켓으로 구성한 회로에 저항 값들을 바꾸어 가면서 파형을 측정해가면서 조정하였습니다.

✔ 저항 변경 방법

파형의 윗부분이 잘릴 경우 - 바이패스 된 이미터 저항 값을 낮추어 주면 됩니다.

파형의 밑 부분이 잘릴 경우 - 바이패스 된 이미터 저항 값을 높여주면 됩니다.

여기서 1단의 파형에 한해서 파형의 윗부분이 잘리는데 이미터 저항 값을 변경해도 파형 잘림에 변화가 없다면 전압분배바이어스 2단의 RE2값을 내려주면 증폭률에는 변화가 없고 파형의 잘림을 없앨 수 있습니다.

푸시풀 최종출력의 경우 푸시풀 내부의 2개의 저항 값을 조정해서 감소되는 것을 최소로 할 수 있습니다.

✔ 잡음(노이즈) 제거 방법

아날로그인 만큼 외부 환경에 큰 영향을 받기도 해서 제거하기가 많이 힘들었습니다.

우선 1단에서 작은 증폭 후 2단에서 높은 증폭을 하는 것이 잡음이 훨씬 덜 측정되었습니다. 그 외로는 최소한의 납땜, 최대한 작은 회로(최소한의 선 연결), DC전압이 인가되는 부분과 그라운드 부분은 납땜을 두껍게 해주면 잡음이 확실히 줄어들었습니다.

또한 회로에서 함수발생기 앞에 있는 200옴 저항은 기계 내부저항을 말하는데 실제로는 함수발생기의 내부저항이 50옴 정도 밖에 안 되기 때문에 입력신호에 작은 저항을 직렬로 연결한 후에 신호를 인가해보니 잡음이 어느 정도 줄어드는 것이 확인되었습니다.

5. 설계 검토

처음에 시뮬레이션대로 설계를 해보았을 때는 당연히 시뮬레이션대로 나오겠지 라는 생각에 젖어 있었지만 실제로 해보니 이론과 실제는 많이 다르다는 것을 확실히 알게 되었습니다.

저항 값 변경을 통해 파형을 조정하는 것도 시뮬레이션과는 차이가 많아 모든 위치의 저항 값 들을 일일이 바꾸어 가면서 어느 부분의 저항 값을 올리거나 내릴 때는 파형이 어떻게 바뀌는지 확인해가면서 회로를 조정하게 되었습니다. 신기한 것은 시뮬레이션에서 파형을 조정할 때는 이미터 저항 값만 변경시켰지만 다른 저항 값을 조정해도 되고 심지어 이미터 저항말고 다른 저항 값을 조정해줘야 되는 경우도 있었습니다.

최종적으로 원하는 파형을 출력하고 소켓에서 그냥 일반적인 방법으로 다시 납땜한 후 파형을 측정해보니 파형이 또 다르게 측정되고, 기기마다 파형도 다 다르게 측정되어 상당히 당혹스러웠습니다.

아무래도 소켓을 거치는 것과 안거치는 것에는 차이가 있다고 판단되어 저항 값들을 약간씩 조정해서 원하는 파형을 얻어내고 최종적으로 다시 납땜을 해서 최종회로를 얻어냈습니다.

하지만 이 회로 또한 잘 될 때가 있고 또 어느 때는 잡음이 너무 심해서 파형 측정자체가 불가하였습니다. 이는 아날로그 회로에서는 신호를 주기 위해 만든 선이나 침 조차도 안테나로 작용하여 주위의 신호를 받아 잡음이 생길 수 있기 때문입니다. 그래서 최소한의 납땜으로 회로의 크기를 줄이고 그라운드는 굵게 납땜해보라는 교수님과 조교님의 조언을 통해 잡음을 제거 할 수 있었습니다.

회로 내부는 얇은 선으로 이어주어도 전류가 잘 흐르지만 회로의 모든 전류가 모이는 그라운드의 경우에는 이와는 다르기 때문에 다른 내부 회로에 비해 굵게 해주고 측정하는 부분도 한 군데가 아니라 3군데로 만들어 각각 물려서 하는 것이 파형 측정하기에 더 수월했습니다.