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Syllabus(1/2)
1. Course Title : 고급 실험과 고급물리 실험
2. Course Description : 기본 전자학과 고체시료 준비/측정
3. Reference Books : 자료 제공, The Art of Electronics (by Horowitz)
4. Pre-requisite : 기초 전자학
5. 실험실
1) 기본전자학 : 24동 114호
2) 고체시료 준비와 측정 : 22동 419호 또는 해당 장비가 설치된 곳
6. Course Meetings
1) 조교와 1 주전에 약속한 시간
2) 학기 중간에 초청연사의 강의가 있을시에는 이메일로 통보
Syllabus(2/2)
7. 담당 교수 : 홍승훈
1) Office : 56-311 (Phone : 880-1343, [email protected])
2) Office Hour : Wed 3:00PM~4:00PM
8. 도움을 받을 수 있는 분들
1) 담당조교 : 손수한(010-9533-2034, [email protected])
2) 기본전자학실험 부조교 : 김정수(010-2255-3582, [email protected])
3) 물리과 실험시설 책임자 : 현기식(02-880-6617, [email protected])
강의 계획서(1/2)
주 (날짜)
제목
내용
1) 기본 전자학 교육 : Orientation, 조짜기, Labnote 작성법, BNC 만들기, 악어집게 만들기, Soldering Kit 사용
기본 전자학
(24-114호 전자학
1 ~ 5주
실험실,
화재경보기용 회로
제작과 특성측정)
법, 내부저항 측정, BNC Transistor Circuits.
2) 개별 부품의 특성 측정: input/output 저항, 흘릴수 있는 최대전류, 동작 특성 곡선
3) 회로제작 : 주어진 회로에, OP-Amp negative feedback 회로를 최소한 1가지씩 추가할 것.
4) 3D프린터를 이용한 케이스 제작 : CAD를 이용한 케이스 디자인, 3D프린터를 이용한 케이스 제작
5) 화재경보회로 동작특성 측정 : input 범위, output특성, 노이즈 특성 측정
6) PSPICE 시뮬레이션 : PSPICE를 이용하여 시뮬레이션 수행
1) 랩 노트 평가 (20점)
6주
(Evaluation 1)
2) 발표 평가 (20점) : 기본전자학 실험 결과 보고(15점) + 고체시료 제작분석 실험 계획(5점)
-실험종목중 최대 3개 실험까지 선택가능(아래의 리스트는 변동 가능. 실험 2주차에 선택)
-장비 매뉴얼에 있는 내용 이외에 새로운 점(샘플/방법/장비 등)을 1가지는 고안해서 넣어야 함.
-최종 데이타는, 장비에 한정된 데이타가 아니라, 누구나 검지할 수 있는 물리량이어야함.
고체시료 제작 및
분석
6~15
(대부분 22동 419호
고급물리실험실)
-필요하면, 친구/동료/조교한테 문의 가능. 단, 실험은 직접해야함.
종목 선정후에 해야할일
-실험 디자인 : 의미가 있는 목표 선정, 구체적인 공정/순서 결정, 필요한 부품 선정
-실험 수행 : 수행하면서 발생하는 문제에 대해서, 문의/문헌조사 등을 통해서 해결
-데이타 분석 : 에러 바, 데이타의 의미 명확히 파악, 기존 데이타와 비교, 가능한 에러의 원인 파악
[고급 전자학]
1) 고급 전자학 (Lock-in Amplifier and Oscilloscope)
강의 계획서(2/2)
주 (날짜)
제목
내용
[미세 고체 시료 제작 및 측정]
2) 마이크로 전자회로 : Microfabrication (Spin Coating, Exposure, Baking, Developing), Thermal Evaporation,
표면처리 기술(cleaning, stamping, 바이오 칩 표면처리, contact angle 측정, 형광현미경), 분석(4-probe를
이용한 비저항 측정, IV, CV, AFM, SEM, 비저항값, 노이즈 특성 측정, 형광현미경)
[고체시료 제작 및 측정]
3) X-ray Diffraction,; 4) Hall Effect; 5) 자기저항 효과; 6) 자기 감수율(magnetic susceptibility)
고체시료 제작 및
분석
6~15
7) 패러데이 효과; 8) 1/f 노이즈 특성 분석; 9) 초음파의 전달
10) 초음파에 의한 찬 빛 발생; 11) 초전도 현상; 12) 조셉슨 효과
(대부분 22동 419호 13) 초전도 양자 간섭 장치; 14) 열음향 효과
고급물리실험실)
15) 바이오 칩을 이용한 바이오 분자간 상호작용 측정(바이오/세포칩과 형광현미경) : stamping으로 패터닝해
서 흡착 상수 계산, 세포를 생장해서 기판의 종류에따른 세포 흡착률 생장 특성 분석, Ca이온 어세이
16) 세포막 내의 분자 운동(형광현미경, FRAP 실험)
17) 레이저 분광학 또는 라만(일부 구비 or 공동장비)
18) 핵자기 껴울림(NMR) (일부 구비)
19) 전자스핀 껴울림(EPR) (일부 구비)
20) 압전 현상(일부 구비)
10주
(Evaluation 2)
15주
(Evaluation 3)
1) 중간 발표 평가(10점)
1) 랩노트 평가(20점)
2) 발표 평가(30점)
•
•
•
•
•
•
평가 방법
평가 (100점 만점, 절대평가)
1. 개인별 랩 노트 평가(40점=20점x2회)
2. 발표 (60점=20점+10점+30점)
실험결과, 논문에 발표할 정도의 결과를 얻을 경우,
무조건 조전체 A+
수행한 실험종목수가 얼마나 많은지는 평가기준이 아님
발표평가 채점기준
-전자학 발표 : 회로작동(7)+새로운 회로와 창의성(3)+발표(5)
-실험발표 : 실험디자인(5점, 실험 계획 발표)
+문제해결(10점, 중간발표)
+실험결과와 데이타 분석(15)+창의성(10)+발표(5)
출석 : 1주동안 무단으로 실험을 수행하지 않은 경우, 총점에서 10점씩
감점, 3주 무단으로 빠지면 F
랩 노트 복사 시 과목 전체 F
수강 자격 제한
• 장기 연수, 학회 참석, 등의 사유로 4주 이상 실험을 빠져야 할
경우 수강할 수 없음.
조편성
• 2~3명씩 1개조
• 3월 9일 수요일까지 담당 조교한테 이메일로 알려줄 것.
랩노트 작성법
내용)
• 날짜
• 실험주제 명
• 같이 실험한 사람들
• 그날 한 실험의 방법 및 조건을 기재.
• 실험 결과를 간략히 기재 (결과의 예를 프린트해서 붙일 것.)
• 결과에 대한 간단한 평가
Example)
June 26, 2005
XRD Measurement (with Tom, Janet, Albert)
1. Measured XRD in Rm….
2. ….
(평가 기준)
내용 포함 여부
전압신호를 처리하는 모듈의 기본특성
(Thevenin’s Theorem 참조)
단위 DC 회로
Vin (Input 신호,
회로가 읽는 신호)
Rin
(Input
저항)
Rout
(Output
저항)
V0
Vout (Output 신호,
회로가 실재로 밖에
내보내는 신호)
(회로가 내보
내려는 신호)
- 대부분의 회로는, 전압신호(Vin)를 받아서, 어떤 연산을 한 후에,
결과 전압(Vout)을 다음 회로에 전달하는 역할을 하는 모듈을
조합하여 구성한다.
- 이때, input 저항과 output 저항이 매우 중요한 역할을 한다.
전압신호 처리 모듈의 연결 방법
V1in
단위 회로 1
단위 회로 2
R1out
R2out
R1in
V2in
V10
R2in
V0
• (단위회로 1)이 V10라는 신호를 만들어서 (단위회로 2)에 전달하려고 하나,
실재로 (단위회로 2)가 읽어 들이는 신호 V2in는
V2in=V10 x R2in / (R1out + R2in)
• 단, R1out << R2in 이면, V2in ~ V10가 되어 신호가 제대로 전달된다.
• 따라서, 모듈연결의 기본 원칙은, 신호를 받는 모듈의 input 저항은 가능한
한 크게 하고, 신호를 주는 모듈의 output 저항은 작게 해야 한다.
(R1out << R2in)
• 보통 input 전류가 작을수록 input 저항이 크다.
• 보통 output 전류를 많이 끌어 낼 수 있는 회로 일수록 output 저항이 작다.
Diode
(Ref : The Art of Electronics by Horowitz)
IR
(Leakage
Current)
VF (Diode
Voltage
Drop~0.6V)
I  I 0 (eV / Vbi  1)
VR(max)
(Breakdown
Voltage)
Golden Rule
I
VF
VR
V
IR
Large Reverse
-R~0
- voltage drop = VR
- Usually, it breaks down.
Reverse
- R ~ infinite
- I = IR (leakage current)
Forward Bias:
-R~0
- voltage drop = VF
다이오드 특성의 예
Continuous mode
operation 조건
순간 최대값
순방향->역방향 시간
Hal-wave Rectifier
Vi
+: Vi-0.6
-:0
+: Vi-0.6= Vi-0.6-0
+
-
0
+: 0
-:0
- : 0=0-0
forward bias : 전선으로 연결된 것으로 간주, 0.6V 정도 전압강하
reverse bias : 아예 끊어진 것으로 간주
Bipolar Transistor (BJT)
(참고자료: The Art of Electronics by Horowitz)
1.
2.
3.
4.
5.
화살표 있는 부분이 Emitter이고 forward bias
IE=IC + IB
VB ~ VE + VF(diode voltage drop~0.6V for npn) if |VB-VE|>|VF|
IC=hFEIB (hFE 또는 b : current gain.)


Ebers Moll Equation
cf.)
 eV BE  
 eV BE 
IC  IC 0 exp 

  1
 kT  

  1
 kT  
IB  IB 0 exp 

Note)
1. IC, IB, VCE, power (ICVCE), temperature, VBE, 등은 모두 최대값이 있다.
2. Input 저항이 작다.
3. 큰 전류를 흘릴 수 있다.
Golden Rule
IC
VCE
IC
VF
VF
IE = IC+IB
Near Zero :
R ~ infinite
VCE
Large C Bias :
IC = hFEIB
Inverter
Assume VF=0.6V
i) If Vin = 5,
• VE=0, thus VB=0.6V
• IB= (Vin-VB)/R1=(Vin-0.6)/R1
• IC= hFE x IB= hFE(Vin-0.6)/R1
• Vout = 5 - R2 x IC
= 5 – R2 x hFE x (Vin-0.6)/R1
• 위의 식으로 계산하면 Vout 이 0 보
다 작은 매우 작은 값이 나온다. 그
러나, Vout의 최저치는 0 이므로,
Vout ~0 if hFE is very large
R2
C
R1
B
E
ii) If Vin = 0
• IB = 0
• IC=0
• Vout = 5V
Golden Rule for FET
n-MOSFET
Saturation Region:
Constant
Current Source
Linear Region :
Variable Resistor
1. VGS controls the ID.
2. Very small (or zero) IB
->large input resistance.
(For BJT, IB controls the IC
VDS = VD - VS
VGS = VG - VS
VT : threshold voltage)
1. For p-type FET, switch the
volatage polarity like GS->SG
and DS->SD
2. VT: positive for MOSFET,
negative for JFET
VDS = VGS-VT
ID
VDS
Linear : Small VDS
R DS  1/(V GS VT )
Saturation : Large VDS
ID  V GS VT

2
n-Channel JFET 동작특성
VDS = VGS-VT
1.
2.
3.
4.
Gate는 항상 reverse bias.
VT (threshold voltage)<0, VDS(sat) (saturation voltage) = VGS-VT
Transconductance gm 정의 : gm = id/vgs
동작특성 (IDSS : VGS = 0일 때의 Saturation Drain Current ID(SAT))
영역
조건
Approximate
Circuit
동작특성
Cut-off
VGS<VT
Open Circuit
ID=0
Linear
(작은 VDS)
VGS> VT
VDS < (VGS-VT)
Saturation
VGS > VT
(큰 VDS)
VDS > (VGS-VT)
ID  2
가변저항
R DS  1/(V GS VT ) R 
DS
전류소스
ID  V GS VT

2
IDSS
VT 2


V DS2   IDSS
(
V

V
)
V


2
(
V

V
)
 GS
T DS
 
GS
T V DS
2
2


  VT
2IDSS
VT
1

(V GS VT ) (V GS VT )
2
ID  ID(sat)V DS  V GS VT  
IDSS
(V GS VT )2
2
VT
(참고) p-channel JFET의 경우, GS->SG, DS->SD 등으로 polarity만 바꿔서 식 사용 가능
n-MOSFET 동작특성
Saturation Region:
Constant
Current Source
Linear Region :
Variable Resistor
Regions
Conditions
Approximate
Circuit
동작특성
Cut-off
VGS<VT
Open Circuit
ID=0
Variabel
Registor
Linear
VGS> VT
(Small VDS) VDS < (VGS-VT)


V DS2 
(V GS  VT )V DS 

2 


ID (ON )
 2
 V GS (ON ) VT

V
 VT )V DS  DS
R DS

ID  2
R DS  1/(V GS VT )
R DS 
Saturation
VGS > VT
(Large VDS) VDS > (VGS-VT)
Current
Source :
ID  V GS VT

2
V GS
ID (ON
(ON
V GS
)
)  VT
2

 VT 
2
(V GS
2
(ON )
2ID (ON )(V GS  VT )
ID  ID(sat)V DS  V GS VT  

2ID (ON )R DS (on )
(V GS  VT )
V GS
ID (ON
(ON )
)
VT

2
(V GS VT )2
1. For p-type FET, switch the voltage polarity like GS->SG and DS->SD
2. VT : positive or negative for MOSFET, negative for JFET
JFET 회로의 예 : Current source
1. VT < 0 for n-JFET
2. VGS=0 > VT, (VGS-VT) > 0
3. +V가 높지 않으면, VDS < (VGS-VT)이기 때문에, 트
랜지스터는 저항 R DS  1/(V GS VT ) 으로서 동작
4. (VDS > VGS-VT)이도록 +V를 충분히 높이면,
2
전류 소스로 동작
ID  V GS VT 
Switches
S
D
G
FET on
(Linear)
FET off
D
G
MOSFET analog switch.
S
- 15V (VGS >VT) : Linear, R ~ 1/(VGS-VT))
- Ground (VGS<VT) : Cut off
Complementary MOS Inverter
=5V
S
p-MOS
(Load)
D
D
S
n-MOS
(Driver)
1) If Vin = 5V (input high),
-> VGSn = 5V > |VTn|
VSGp = 0V < |VTp|
-> n-MOS: ON with a small R
p-MOS: OFF with an infinite R
-> NO Current
-> Vout = 0 (output low)
2) If Vin = 0V (input low),
-> VGSn = 0V < |VTn|
VSGp = 5V > |VTp|
-> n-MOS: OFF with an infinite R
p-MOS: ON with a small R
-> NO Current
-> Vout = 5V (output high)
No static power consumption for CMOS Circuits.
-> Integrated Circuits for Computer Processors.
CMOS Logic
Logic Circuit in CMOS Architecture
1.pMOS :
• First, take the inverse of ‘each’
variable
• ‘OR’ : parallel connection
• ‘AND’ : Serial Connection
2.nMOS :
• First, take the inverse of the
entire function.
• ‘OR’ : parallel connection
‘AND : serial connection
VDD
NAND
Gate
A
B
Z
Z  A B
A
B
VDD
NOR
Gate
A
B
Z
A
Z
Z  A B
B
Z
Note)
1. The logic functions are
implemented twice, once in
NMOS and once in PMOS
devices.
2. Zero static power dissipation.
3. All devices can be the same size
and circuit functions correctly.
4. The output of a logic circuit is
connected to the input of the
next logic circuit.
Transistors 비교 정리
Input
BJT
JFET
MOSFET
IB
VG
VG
장점
Output
단점
• base 전류가 많아 power 소모가
크다
IC
• 많은 전류를 흐를 수 있다.
• Input과 output의 신호의 polarity가
같아서 다음 단계 회로 연결이 용이.
• 주로 high power 회로에 많이 응용.
IDS
•
•
•
•
많은 전류를 흐를 수 있다.
낮은 gate 전류
높은 input 저항
Constant current source 등에 응용
• Input와 output의 polarity가
달라서 다음 단계 회로 연결이
불편.
원칙적으로 gate 전류는 0.
gate power dissipation 이 없음.
input 저항 무한대
컴퓨터 논리 회로에 응용
• 흘릴 수 있는 전류 용량이
상대적으로 낮다.
IDS
•
•
•
•
트랜지스터 요약
1. npn BJT
1) IE=IC + IB
2) VB ~ VE + 0.6 (diode voltage drop) if |VB-VE|>|VF|
3) IC=hFEIB (hFE 또는 b : current gain.)
npn BJT
2. n-channel FET
Digital
회로 특성
영역
조건
Approximate
Circuit
Off
Cut-off
VGS<VT
Open Circuit
Linear
(작은 VDS)
VGS> VT
VDS < (VGS-VT)
가변저항
Saturation
(큰 VDS)
VGS > VT
VDS > (VGS-VT)
On
R D  1/(V GS VT )
전류소스
ID  V GS VT

2
1. pnp BJT 또는 p-channel FET의 경우 polarity만 반대로
2. VT : positive or negative for MOSFET, negative for JFET
n-JFET
n-MOSFET
Golden Rule for OP-Amp Circuits
Input
Vin(+)
output
Vin(-)
Vout
1) Open Loop Circuits 동작특성
Vout = AOL x (Vin(+) – Vin(-) )
- AOL : open loop voltage gain (>10000)
- VEE< Vout <VCC
2) Negative Feedback Circuits(Vout → Vin(-))에서의 동작특성
(Rule 1) 두 input 단자간의 전압차는 0 : Vin(+) = Vin(-)
(Rule 2) Input 단자로는 전류가 전혀 흐르지 않는다.(no input currents).
(Rule 3) input 단자 : Zin (input impedance)~ infinite,
output 단자 : Zout (output impedance) ~ 0
- (주의)
a) 실재 칩에서는, OP Amp마다 input 단자간 전압이 약간 다를 수 있고 (Voffset), input
단자로 약간의 전류가 흐를 수 있다 (Ioffset).
b) 실질적으로는 Output으로 흐를 수 있는 최대 전류가 있다.
c) input 저항이 매우 크고, output 저항이 작기에 analog 회로를 단계별로 만들어서 계
속 연결할 때 가장 편함.
Open Loop Application:
Comparator (비교기)
Vin(-)
Vin(+)
Vout=gain*(Vin(+) - Vin(-))
단, Vout 의 변화는 -15와 15 사이로 제한됨.
Feedback Circuit with Amplifier
IfA   1, A ~ 
*
1
 V out   V in

1

Negative Feedback Circuit using OP-Amp
V out  A V in  V out 

V out  AOL V in( ) V in()   AOL V in 

 A  AOL ,  

R1
V out 
R1 R2

R1
(negativefeedback)
R1 R2
R R2
1
A   1 이므로 ,V out   V in  1
V in
AOL

R1
(Note)
-Negative Feedback Circuit : output
voltage Vout을 저항 등 passive
component를 통해서 Vin(-)단자로 연결
- Negative feedback 이 걸렸기에,
Vin(+) ~ Vin(-)일 때까지 Vout 이 변함
Inverting Amplifier (반전증폭기)
VA = VB = 0 : Rule 1
I = (Vin-0)/R1= Vin/R1
Vout = 0-I x R2=-(R2/R1)Vin
Non-inverting Amplifier (비반전증폭기)
VA = Vin : Rule 1
VA = Vout x (R1/(R1+R2))
: voltage divider
Vout = Vin x (1 + R2/R1)
(가산 회로)
0
0
0
i4
0
Vout =-i4R4 =-(i1+i2+i3)R4=-R4(V1/R1+V2/R2+V3/R3)
(차동 증폭기)
(V2-V1)R2/R1
(미분 회로)
(적분 회로)
constant
PID controller
MV (t )  Pout  I out  Dout
de(t )
 K p e(t )  K i  e( )d  K d
0
dt
t
저항 변화식 화재 경보기 회로도
센서 경보기 제작에 활용가능한 부품의 예
Type
상품명
가변저항
Hongxing H3296W Series-2M
Ω
저항
200 W
전해질 캐패시터
50V, 10mF
전해질 캐패시터
50V, 100mF
LED
LED 멀티5색
부저
GEC09D
정전압 레귤레이터
7806
정전압 레귤레이터
7808
정전압 레귤레이터
7805
슈미트 트리거
SN74HC14
op-amp
LM358N
스위치
Toggle 2단3P WTS-3203S
USB 컨넥터
DS1097-W
USB 컨넥터
DS1095-W
PCB기판
A1-50X50-양면
PSPICE를 이용한 Circuit Simulation
1. Oracle사 웹사이트에서 학생용 프로그램 다운로드하여 설치하여 사용
http://www.orcad.com/buy/try-orcad-for-free
2. 기본적인 사용법
a) "File->New->Design"에 의해 새로운 회로 디자인 CAD 파일 생성
b) "Place->PSpice Component"에 의해 새로운 회로 부품을 생성
c) 필요하면 "Place->Wire"를 이용해 부품간의 도선(wire) 연결.
d) 왼쪽 위의 toolbar에서 "voltage lever marker" 등 원하는 마커를 골라서, 회
로에서 읽고 싶은 부분에 연결
e) 왼쪽 위의 toolbar에서 "Run PSpice"를 눌러서, 회로 시뮬레이션 구동
f) 왼쪽 위의 toolbar에서 "View Simulation Results"를 눌러서, 시뮬레이션 결과
그래프 보기
3. 예제와 회로 설명은, "Help->Learning PSPICE->BasicElectronics"에 나와
있음.
-처음에는, 설명중에 나와있는 Design을 클릭해서 Design파일을 열어서, 위의
e), f)를 해보는 것이 좋음.
보충자료
저항 변화식 화제 경보기를 위한 다른 회로의 예
16 ~ 19 V (9 V battery 2ea)
On/Off Switch
Schmitt Trigger
(If V1 < (V14+V7)/ 2 , V2=V7
If V1 > (V14+V7)/ 2 , V2=V14)
16 ~ 19 V
o
OP Amp를
이용한
비반전
증폭기(x2)
i
SN74HC14
1
2
3
4
5
6
7
200 W
i
200 W
1
2
8
7
3
4
6
5
LM358N
1
3
i
o i
i
7806
14
13
12
11
10
9
8
7808
i
1
o
3
o
7805
o
1
2
3
2
2
Sensor
LED
i
o
100 mF
0V
10 mF
USB
Connector
Adjustable
Resistor
(1.15 Rsensor
Buzzer
100 mF
780X : X volt regulartor (V2: ground, V1: 일정전압이상의 전압)
100 mF
10 mF
바이메탈식 화재 경보기 회로도의 예
8~10 V (9 V battery 1ea)
On/Off Switch
1
2
50R4304
(바이메탈)
LED
Buzzer