Transcript 전자회로의 구성
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.