전자회로의 구성

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1. 전자회로를 위한 기초 회로이론
한양대학교
전자시스템 공학과
1.1 개요
전자회로의 구성: 반도체 소자와 수동 소자
전자회로의 해석: 반도체 소자의 회로 모델
링을 통하여 전기적 특성 확립. 이 모델링된
회로와 수동소자 회로가 결합된 최종회로를
대상으로 수행
전자회로를 위한 기초 회로이론: 본격적인
전자회로의 해석에 필수적인 회로이론의 내
용을 다룸
1.2 전압원 및 전류원
전압원 및 전류원: 전자회로(부하)에 대해 전압 및
전류를 공급하는 원천(Source)
그림1.1(a) 전압원
그림1.1(b) 전류원
전압 및 전류의 기준방향: 전류는 원에서부터 전자
회로에 공급하는 방향. 전압은 그림에 표시된 방향.
1.2.1 직류 및 교류의 중첩
직류 및 교류의 중첩의 예: 선형증폭기에서 직류 바
이어스와 소신호 교류가 중첩됨
그림1.2(a) 직류
그림1.2(b) 교류
그림1.2(c) 중첩
표기의 규정: 직류 대문자와 대문자 첨자 VS
교류 소문자와 소문자 첨자 vs
중첩 소문자와 대문자 첨자 vS
1.2.2 종속 전압원 및 종속 전류원
종속 전압원: 어떤 전압 및 전류의 값에 의존하는 전압원
그림1.3(a)
그림1.3(b)
그림1.3(a) : 종속 전압원 AvvS는 주인이 되는 vS에 생사를 의존
그림1.3(b) : 종속 전압원 Ar iS는 주인이 되는 iS에 생사를 의존
1.2.2 종속 전압원 및 종속 전류원
종속 전류원: 어떤 전압 및 전류의 값에 의존하는 전류원
그림1.4(a)
그림1.4(b)
그림1.4(a) : 종속 전류원 AgvS는 주인이 되는 vS에 생사를 의존
그림1.4(b) : 종속 전류원 Ai iS는 주인이 되는 iS에 생사를 의존
1.3 수동소자
대표적 수동소자: 저항(resistor), 커패시터(capacitor),
인덕터(inductor)
그림1.5 수동소자의 전류, 전압 방향
수동소자에 전류가 흐르면 전압의 극성은 전류가 들어
오는 지점이 + , 흘러 나가는 지점이 - 가 됨
1.3.1 저항
저항(resistor) : 전류의 흐름을 억제하는 소자
그림1.6 저항의 기호
옴(ohm)의 법칙 : I=V/R
저항의 또 다른 특성: 다른 수동소자인 커패시터 및 인덕
터와는 달리 전력을 소모한다는 점 P=IV=I2R=V2/R [W]
전력을 소모하면서 어떤 일을 하는 장치, 예를 들어 램프, 히터, 증폭기, 휴대폰
등의 전자장비 등도 등가적으로 저항으로 나타낼 수 있는데 이를 부하(load)저
항 또는 단순히 부하라고 한다.
1.3.2 커패시터
커패시터(capacitor) : 에너지를 저장하는 소자
그림1.7 커패시터의 기호
1
2
저장에너지: E  Cv 2
교류회로:
교류저항(리액턴스)의 역할
1
교류저항:
C
주파수 및 커패시턴스에 반비례
시간영역에서 커패시터의 전류․전압의 관계식:
iC  C
dvC
dt
vC (t ) 
1
iC (t )dt  vC (0)

C
1.3.3 인덕터
인덕터(inductor) : 에너지를 저장하는 소자
그림1.8 인덕터의 기호
1
2
저장에너지: E  Li 2
교류회로:
교류저항(리액턴스)의 역할
교류저항:
L
주파수 및 인덕턴스에 비례
시간영역에서 인덕터의 전압․전류의 관계식:
vL L
diL
dt
iL (t ) 
1
vL (t )dt  iL (0)

L
1.4 분압 및 분류의 법칙
분압의 법칙: 직렬 연결의 저항을 이용하여 전압을 원하는
만큼 분압할 수 있음
그림1.9 분압을 설명하기 위한 회로
각 저항에 걸리는 전압강하:
R1
R2
v1  vS
v2  v S
R1  R2
R1  R2
1.4 분압 및 분류의 법칙
분압의 법칙의 확장: n 개의 직렬 연결 저항을 이용하여 분
압하는 경우
그림1.10 분압의 법칙의 확장
각 저항에 걸리는 전압강하:
R1
R2
Rn
v1  vS
v2  v S
   vn  v S
R1  R2      Rn
R1  R2      Rn
R1  R2      Rn
1.4 분압 및 분류의 법칙
분류의 법칙: 병렬 연결의 저항을 이용하여 전류를 원하는
만큼 분류할 수 있음
그림1.10 분류를 설명하기 위한 회로
전압 v:
R1 R2
v  iS ( R1 R2 ) iS
R1  R2
각 저항에 흐르는 전류:
i1 
v
R1
i2 
v
R2
각 저항에 흐르는 전류(최종):
R1 R2
R1 R2
R2
R1
i1  iS
 iS
i2  iS
 iS
R1
R1  R2
R2
R1  R2
1.4 분압 및 분류의 법칙
분류의 법칙의 확장: n 개의 병렬 연결 저항을 이용하여 분
류하는 경우
그림1.12 분류의 법칙의 확장
각 저항에 흐르는 전류:
R1 R2    Rn
R1 R2    Rn
i1  iS
i2  iS

R1
R2
in  iS
R1 R2    Rn
Rn
1.5 키르히호프의 전압 및 전류 법칙
KVL: 닫힌 하나의 루프 안에서 전압의 합은 0이다
그림1.13 키르히호프의 전압법칙
위의 그림에 KVL 적용: v1  v2  v3  v4  0
이 식을 변형하면 v4  v1  v2  v3 로 나타낼 수 있는데 이 식을 다시 그림1.13
의 회로와 연관시켜 고찰해 보면, 절점 a와 d사이의 전압 v4는, 절점 a와 d사이
의 다른 경로인 a와b , b와c , c와d 의 각각의 전압인v1, v2, v3 를 합한 결과와 동
일해야 함을 의미한다고 볼 수 있다.
1.5 키르히호프의 전압 및 전류 법칙
KCL: 전류가 흐르는 하나의 분기점에서 전류의 합은 0이다
그림1.14 키르히호프의 전류법칙
위의 그림에 KCL 적용:
i1  i2  i3  i4  0
이 식을 변형하면 i2  i3  i1  i4 로 나타낼 수 있는데 이 식을 다시 그림1.14
의 회로와 연관시켜 고찰해 보면, 분기점에 들어온 전류의 합(i2+i3 )은 분기점에
서 나간 전류의 합(i1+i4 )과 동일해야 함을 의미한다.
1.6 테브난 및 노턴의 정리
테브난의 정리(Thevenin's theorem) : 어떤 임의의 회로의
두 단자에서 그 회로 쪽을 본 등가회로는 두 단자 사이의
전압(원)과, 두 단자 사이에서 본 저항을 직렬회로로 나타낼
수 있다
1.6 테브난 및 노턴의 정리
노턴의 정리(Norton's theorem): 어떤 임의의 회로의 두
단자에서 그 회로 쪽을 본 등가회로는 두 단자 사이를 흐르
는 전류(원)와, 두 단자 사이에서 본 저항을 병렬회로로 나
타낼 수 있다
1.7 밀러의 정리
밀러의 정리(Miller's theorem): 절점 A와 절점 B 사이에
임피던스가 Z라고 가정할 때 이를 오른 쪽의 등가회로처럼
절점 A와 접지, 절점 B와 접지의 회로로 분리하여 나타낼
수 있다
K
VB
VA
1.8 중첩의 정리
중첩의 정리(superposition principle): 하나 이상의 원
(source)을 갖는 선형회로에서 응답은 각기 하나의 원이 적
용됐을 때의 응답을 구하고 이들을 더한 결과가 된다는 것
그림1.18 중첩의 정리의 회로 예
전압원만 적용한 경우:
vo1  5V
전류원만 적용한 경우:
vo 2  3k  5mA  15V
최종 출력전압: vo  vo1  vo 2  20V
1.9 전자회로의 해석법
그림1.19 MOSFET를 이용한 선형 증폭회로
우선 반도체 소자인 MOSFET 를 전기회로 적으로 모델링(modeling)해야 한다.
이 모델링된 회로는 어디까지나 등가회로로써 MOSFET 의 전기적 특성을 나타
내는 회로라고 할 수 있다.
1.9 전자회로의 해석법
그림1.20(a)는 MOSFET의 등가모델. 그림1.20(b)는 이
등가모델을 그림1.19의 증폭기에 적용한 등가회로
그림1.20(a) MOSFET 등가모델
vo   g mvgs RD   g mvi RD
그림1.20(b) MOSFET 모델 적용
 vo / vi   g m RD
1.10 요약
전자회로의 해석에 앞서 필요한 회로이론의 기본적
이고 핵심적인 사항을 요약. 전자회로의 원활한 해
석이 진행되도록 함.
종속 전압 원 및 전류 원 을 포함한 원(source)의 특
성, 수동소자의 특성, KVL. KCL, 테브난 및 노턴의
정리 등을 설명. 전자회로의 해석에 매우 용이하게
접근할 수 있도록 함.
반도체 소자의 전기회로적 모델링과 이를 적용한
전자회로의 해석 예를 다룸으로써 앞으로 전개될
전자회로 해석의 뚜렷한 방향을 제시함.