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2017 7급 국가직 전자회로

1번

Q=fcBQ=\frac{f_c}{B}

이고,

fc=150600=300\begin{equation} \begin{split} f_c&=\sqrt{150\cdot 600}\\ &=300 \end{split} \end{equation}

이다. 산술평균이 아니다! 기하평균이다! 대역폭은

B=600150=450\begin{equation} \begin{split} B&=600-150\\ &=450 \end{split} \end{equation}

이므로

Q=300/450=23\begin{equation} \begin{split} Q&=300/450\\ &=\frac{2}{3} \end{split} \end{equation}

이니 답은 3번이다.

2번

10:110:1로 변압되니 2차측에 전달되는 전압의 최댓값은 1111 V이다. 따라서 양의 주기를 가정했을 때, D1D_1에 걸리는 최대 역전압을 계산해보면

PIV=110.7=10.3PIV=11-0.7=10.3

이므로 답은 2번이다.

3번

A=1A=1이면 X=0X=0이고, A=0A=0이면 X=1X=1이므로

X=AX=\overline{A}

이다. 또한 B=1B=1이면 Y=0Y=0, B=0B=0이면 Y=XY=X이므로

Y=BX=AB\begin{equation} \begin{split} Y&=\overline{B}X\\ &=\overline{A}\cdot\overline{B} \end{split} \end{equation}

이므로 답은 3번이다.

4번

ㄱ. 옳다. 순방향 전류를 구성하는 전자와 양공이 만나서 사라지며 그 에너지만큼의 빛을 내놓는다.

ㄴ. 옳다.

ㄷ. 버랙터 다이오드는 역방향 바이어스가 증가할수륵 커패시턴스는 감소한다.

C1VreverseC\varpropto \frac{1}{\sqrt{V_{reverse}}}

이다.

ㄹ. 순방향 바이어스를 인가하면 공핍 영역은 줄어든다. 전자와 양공이 가운데로 밀려오기 때문이다.

따라서 답은 1번이다.

5번

  1. 오른쪽 게이트의 버블을 뒤로 넘기고 연산을 뒤집으면(드 모르간의 법칙)
    Y=AB(A+B)=(A+B)(A+B)=AB+AB\begin{equation} \begin{split} Y&=\overline{AB}(A+B)=(\overline{A}+\overline{B})(A+B)\\ &=A\overline{B}+\overline{A}B \end{split} \end{equation}
    이다.
  2. 제일 오른쪽 게이트의 버블을 뒤로 넘기고 연산을 뒤집자(드 모르간의 법칙). 그러면
    Y=(AAB)+(BAB)=(A(A+B))+(B(A+B))=AB+AB\begin{equation} \begin{split} Y&=(A\overline{AB}) + (B\overline{AB})\\ &=(A(\overline{A}+\overline{B}))+(B(\overline{A}+\overline{B}))\\ &=A\overline{B}+\overline{A}B \end{split} \end{equation}
    이다.
  3. A=1A=1이면 Y=BY=\overline{B}이고 A=0A=0이면 Y=BY=B이다. 따라서
    Y=AB+ABY=A\overline{B}+\overline{A}B
    이다.
  4. B=1B=1이면 Y=AY=A이고 B=0B=0이면 Y=AY=\overline{A}이다. 따라서
    Y=AB+ABY=AB+\overline{A}\cdot\overline{B}
    이므로 다르다.

따라서 답은 4번이다.

6번

증폭률과 대역폭의 곱 GBGB은 일정함을 이용하자. 6060 dB는 10310^3배를 의미한다. 따라서

GB=1031×106=109\begin{equation} \begin{split} GB&=10^3\cdot 1\times 10^6\\ &=10^9 \end{split} \end{equation}

이다. 그리고 부궤환이 있을 때 증폭률은

1+R1R2=1.00111+\frac{R_1}{R_2}=1.001\thickapprox 1

이므로 dB로 바꾸면 A=0A=0이다.

또한

103106=1B10610^3\cdot 10^6=1\cdot B\cdot 10^6

에서

B=1000B=1000

이므로 답은 1번이다.

7번

VinV_{in}10-10까지 내려가면 커패시터에는

70.7(10)=16.37-0.7-(-10)=16.3

가 충전된다. 따라서

Vout=Vin+16.3V_{out}=V{in}+16.3

이므로 답은 3번이다.

8번

먼저 DC 전압이득이 1010이므로

1+R21=101+\frac{R_2}{1}=10

에서

R2=9kΩR_2=9 k\Omega

임을 알 수 있다.

다음으로 차단주파수는 커패시터와 커패시터가 바라보는 저항인 R1R_1에 의해 생기므로

2π50×103=2π×109R1R1=10650=20kΩ\begin{gather} 2\pi\cdot 50\times 10^3=\frac{2\pi\times 10^9}{R_1}\\ \Rightarrow R_1=\frac{10^6}{50}=20 k\Omega \end{gather}

이다. 따라서 답은 2번이다.

9번

가장 오른쪽 CCRR 사이의 전압을 VV라 하자. 이 VV는 반전 증폭기에 입력되어

VRf1sC+R=VsCRf1+sCR-V\frac{R_f}{\frac{1}{sC}+R}=-V\frac{sCR_f}{1+sCR}

로 증폭된다.

다음으로, VV는 가운데 CC의 왼쪽 전압 V1V_1이 분배된 것이다. 식을 세우면

V1=V(1+1sCR(1sC+R))=V(1+1sCRsC+R2R+1sC+R)=V(1+s2RC+1sCR+s2C2R2)\begin{equation} \begin{split} V_1&=V\left(1+\frac{\frac{1}{sC}}{R||\left(\frac{1}{sC}+R\right)}\right)\\ &=V\left(1+\frac{\frac{1}{sC}}{\frac{\frac{R}{sC}+R^2}{R+\frac{1}{sC}+R}}\right)\\ &=V\left(1+\frac{s2RC+1}{sCR+s^2C^2R^2}\right) \end{split} \end{equation}

이다.

또한, 가운데 CC를 흐르는 전류는 왼쪽의 CCRR로부터 온 것이므로 식을 세우면

sC(V(1+s2RC+1sCR+s2C2R2)V)=sC(V(s2RC+1sCR+s2C2R2))=V1R+sC(VsCRf1+sCRV1)=V(1+s2RC+1sCR+s2C2R2)R+sC(VsCRf1+sCRV(1+s2RC+1sCR+s2C2R2))\begin{equation} \begin{split} sC\cdot \left(V\cdot \left(1+\frac{s2RC+1}{sCR+s^2C^2R^2}\right)-V\right)&=sC\left(V \left(\frac{s2RC+1}{sCR+s^2C^2R^2}\right) \right)\\ &=-\frac{V_1}{R}+sC\left(-V\frac{sCR_f}{1+sCR}-V_1\right)\\ &=-\frac{V\left(1+\frac{s2RC+1}{sCR+s^2C^2R^2}\right)}{R}+sC\left(-V\frac{sCR_f}{1+sCR}-V\left(1+\frac{s2RC+1}{sCR+s^2C^2R^2}\right)\right) \end{split} \end{equation}
s22C2R+sC=sCR+s2C2R2Rs2RC+1RsCsCRsCRfsC(sCR+s2C2R2)s22C2RsCs22C2R2+sCR=sCRs2C2R2s2CR1s3C3R2Rfs2C2R2s3C3R3s22C2R2sCRsCR(1+1+2+1)+s3C3R2Rf+s3C3R3=s2C2R2(2+1+1+2)1\begin{gather} \Rightarrow s^22C^2R+sC=-\frac{sCR+s^2C^2R^2}{R}-\frac{s2RC+1}{R}-sC\cdot sCR\cdot sCR_f-sC(sCR+s^2C^2R^2)-s^22C^2R-sC\\ \Rightarrow s^22C^2R^2+sCR=-sCR-s^2C^2R^2-s2CR-1-s^3C^3R^2R_f-s^2C^2R^2-s^3C^3R^3-s^22C^2R^2-sCR\\ \Rightarrow sCR(1+1+2+1)+s^3C^3R^2R_f+s^3C^3R^3=-s^2C^2R^2(2+1+1+2)-1 \end{gather}

이다. 그리고 s=jωs=j\omega를 대입하면

jω5CRjω3C3R2Rfjω3C3R3=ω26C2R21j\omega 5CR-j\omega^3 C^3R^2R_f-j\omega^3C^3R^3=\omega^26C^2R^2-1

인데, 좌변은 순허수이고 우변은 실수이므로 둘이 같가 위해서는 둘 다 00이어야 한다. 따라서 우변을 00으로 하면

ω=16CR\omega=\frac{1}{\sqrt{6}CR}

이다. 주어진 발진각주파수를 대입하여 풀면

1000=12.5107RR=12.5104=4 kΩ\begin{gather} 1000=\frac{1}{2.5\cdot 10^{-7}R}\\ \Rightarrow R=\frac{1}{2.5\cdot 10^{-4}}=4 \text{ k}\Omega \end{gather}

이다. 이를 좌변에 대입해서 00이 되게 하는 RRRfR_f를 찾으면

ω2C2R(Rf+R)=5C2R(Rf+R)6C2R2=5Rf+R6R=030R=Rf+RRf=29R\begin{gather} -\omega^2C^2R(R_f+R)=5-\frac{C^2R(R_f+R)}{6C^2R^2}=5-\frac{R_f+R}{6R}=0\\ \Rightarrow 30R=R_f+R\\ \Rightarrow R_f=29R \end{gather}

이므로

Rf=116R_f=116

이고 답은 1번이다.

이런 형태의 회로의 발진 주파수와 발진 조건은 외우는 것이 좋겠다.

10번

위 그림에서 제일 작은 상자 안의 저항은 5050, 그 다음 상자 안의 저항은 2525, 그 다음 상자 안의 저항은 5050, 그 다음 상자 안의 저항은 2525, 가장 큰 상자 안의 저항은 5050이다. 그리고 오른쪽 상자 안의 저항은 7575이므로 VV 아래의 저항에는 5075=3050||75=30의 저항이 연결되어 있다. 따라서 55 V가 전압 분배되어 VV가 되므로

V=53050+30=158\begin{equation} \begin{split} V&=5\cdot \frac{30}{50+30}\\ &=\frac{15}{8} \end{split} \end{equation}

이다. 이 전압이 분배되어

V=1585025+50=54=1.25\begin{equation} \begin{split} V'&=\frac{15}{8}\cdot \frac{50}{25+50}\\ &=\frac{5}{4}\\ &=1.25 \end{split} \end{equation}

가 된다. 따라서 답은 2번이다.

11번

VinV_{in}1gm\frac{1}{g_m}RSR_S에 분배되고 그 중 RSR_S에 분배되는 전압이 출력 전압이다. 따라서

VoutVin=RS1gm+RS=900100+900=0.9\begin{equation} \begin{split} \left|\frac{V_{out}}{V_{in}}\right|&=\frac{R_S}{\frac{1}{g_m}+R_S}\\ &=\frac{900}{100+900}\\ &=0.9 \end{split} \end{equation}

이므로 답은 2번이다.

12번

VinV_{in}++ 단에 VaV_a, - 단에 VbV_b가 가해져서 Vin=VaVbV_{in}=V_a-V_b라 하고 중첩을 이용하자.

VaV_a만 가해지는 상황을 먼저 생각해보면, 첫째 단은 비반전 증폭기로 작동하여

Va(1+R2R1)=Va(1+13)=43Va\begin{equation} \begin{split} V_a\left(1+\frac{R_2}{R_1}\right)&=V_a\left(1+\frac{1}{3}\right)\\ &=\frac{4}{3}V_a \end{split} \end{equation}

를 출력하고, 이 전압이 다시 오른쪽의 반전 증폭기로 들어가므로 최종 출력 전압은

Vouta=43VaR4R3=4Va\begin{equation} \begin{split} V_{out_a}&=\frac{4}{3}V_a\cdot\frac{-R_4}{R_3}\\ &=-4V_a \end{split} \end{equation}

이다.

다음으로 VbV_b만 가해지는 상황을 생각해보자. 첫째 단의 비반전 증폭기의 입력이 00이므로 출력도 00이다. 따라서 오른쪽 단은 비반전 증폭기로 작동하므로 출력 전압은

Voutb=Vb(1+R4R3)=Vb(1+3)=4Vb\begin{equation} \begin{split} V_{out_b}&=V_b\left(1+\frac{R_4}{R_3}\right)\\ &=V_b(1+3)\\ &=4V_b \end{split} \end{equation}

이다. 둘을 종합하면

Vout=Vouta+Voutb=4(VaVb)=4Vin\begin{equation} \begin{split} V_{out}&=V_{out_a}+V_{out_b}\\ &=-4(V_a-V_b)\\ &=-4V_{in} \end{split} \end{equation}

이므로 답은 3번이다.

13번

  1. 포락선 검파기로서 AM 신호 복조에 사용할 수 있다.
  2. 고주파 신호가 걸릴 경우 CC가 도통되는 것에 가까워지므로 출력 전압은 00에 가까워져 버린다. 따라서 저주파 신호가 통과하기 쉽다.
  3. RC 시정수가 크다는 말은 커패시터의 전압이 잘 방전되지 않는다는 뜻이므로 리플 전압은 줄어든다.
  4. 이전 값보다 더 큰 값(피크)이 들어올 때에만 다이오드가 도통되어 출력 쪽에 전달되므로 피크검파기로 사용할 수 있다.

그러므로 2번이 옳지 않다.

14번

왼쪽 회로는 NOR 게이트이므로

AB\overline{A}\cdot \overline{B}

이다. 즉 A,BA,B 중 하나라도 11이면 00이 출력된다. 만약 A=1A=1인 경우 B=0B=0이어야 Z=1Z=1이고, B=1B=1인 경우 A=0A=0이어야 하므로

Z=AB+ABZ=A\cdot \overline{B}+\overline{A}\cdot B

이므로 답은 2번이다.

15번

출력 쪽에 보이는 저항은

RLro1ro2R_L || r_{o1} || r_{o2}

이다. 여기에 M1M_1M2M_2가 입력 전압에 대해 각각 gm1,gm2g_{m1},g_{m2}의 비율로 전류를 흘리므로 전압이득은

(gm1+gm2)(ro1ro2RL)-(g_{m1}+g_{m2})(r_{o1}||r_{o2}||R_L)

이 되므로 답은 1번이다.

16번

드레인 전류는

52.52.5=1\frac{5-2.5}{2.5}=1

이다. 포화영역에서의 드레인 식은

ID=12knWL(VGSVtn)2I_D=\frac{1}{2}k_n\frac{W}{L}(V_{GS}-V_{tn})^2

이므로 값들을 대입하면

103=12104WL(2.50.5)2=2104WLWL=5\begin{gather} 10^{-3}=\frac{1}{2}\cdot 10^{-4}\cdot \frac{W}{L}(2.5-0.5)^2&=2\cdot 10^{-4}\cdot \frac{W}{L}\\ \Rightarrow \frac{W}{L}=5 \end{gather}

이므로 답은 2번이다.

17번

  1. 인버터의 단 수를 3단으로 하면 지연 시간이 적어질 것이므로 발진주파수는 올라간다.
  2. 인버터의 단 수를 짝수단으로 하면 ()×()=(+)(-)\times(-)=(+)이므로 어느 지점이든 현재 값이 그대로 유지된다. 따라서 발진하지 않는다.
  3. 지연시간이 더 작은 인버터를 이용하면 발진주파수는 당연히 올라갈 것이다.
  4. 인버터의 공급전압을 올리면 천이 시 전류가 많이 흐를 것이므로 채널 저항이 작아진다. 이는 다음 단의 입력 커패시턴스와 결합하여 만들어지는 시정수를 작게 한다는 뜻으로, 충전 시간이 짧아진다는 뜻이고 결국 발진주파수는 올라간다.

따라서 4번이 옳지 않다.

18번

톱니파와 비교해서 VinV_{in}이 더 클 때 OPAMP에서는 큰 ++가 나오다가 작아지는 순간 큰 -가 출력되고, 이에 따라 R2R_2에서 DD로 전류가 흘러 멀티바이브레이터에 신호가 입력되어 펄스를 만들어내는데 단안정이므로 멀티바이브레이터는 짧은 시간 후 다시 00을 출력한다. 따라서 주어진 회로는 펄스위치 변조 회로이므로 답은 3번이다.

19번

먼저 표를 반으로 잘라보자. AA값이 00이건 11이건 YY는 똑같은 진리값을 가지므로 YYAA의 함수가 아니다. 따라서 일단 1번을 제외한다. 다음으로 다시 반으로 갈라보자. B=0B=0인 경우 YYCD\overline{C}D이다. 한편 x가 11이라면 그냥 CC의 반전이니 간단할 것 같다. 이들을 조합하면

Y=C+BCD=C(D+D)+BCD=BCD+BCD+BCD=BC+CD\begin{equation} \begin{split} Y&=\cdot \overline{C}+\overline{B}\cdot \overline{C}\cdot D\\ &=\cdot \overline{C}(D+\overline{D})+\overline{B}\cdot \overline{C}\cdot D\\ &=B\overline{C}D+B\overline{C}\cdot\overline{D}+\overline{B}\cdot \overline{C}\cdot D\\ &=B\cdot\overline{C}+\overline{C}\cdot D \end{split} \end{equation}

이므로 답은 4번이다.

20번

VinV_{in}RSR_SR1R3R_1||R_3에 분배되므로

A1=R1R3RS+R1R3A_1=\frac{R_1||R_3}{R_S+R_1||R_3}

이다.

또한, M2M_2의 임피던스는 게이트와 드레인이 연결되어 있고, 게이트 전압에 의해 gm2g_{m2}만큼의 전류가 흐르는데 이 전류가 바로 드레인으로부터 오는 전류이므로 M2M_2는 마치 1gm2\frac{1}{g_{m2}}의 저항처럼 동작한다. 이 저항과 R2R_2가 병렬된

R21gm2R_2||\frac{1}{g_{m2}}

M1M_1을 중심으로 했을 때의 위쪽 임피던스이고, 아래쪽 임피던스는

1gm1+R4\frac{1}{g_{m1}}+R_4

이다.

따라서 증폭단의 증폭도는

A2=(위쪽임피던스)(아래쪽임피던스)=R21gm21gm1+R4\begin{equation} \begin{split} A_2&=-\frac{(위쪽 임피던스)}{(아래쪽 임피던스)}\\ &=-\frac{R_2||\frac{1}{g_{m2}}}{\frac{1}{g_{m1}}+R_4} \end{split} \end{equation}

이다.

전체 전압이득은 이 둘의 곱이므로

VoutVin=A1A2=(R1R3RS+R1R3)(R21gm21gm1+R4)\begin{equation} \begin{split} \frac{V_{out}}{V_{in}}&=A_1\cdot A_2\\ &=\left(-\frac{R_1||R_3}{R_S+R_1||R_3}\right)\left( \frac{R_2||\frac{1}{g_{m2}}}{\frac{1}{g_{m1}}+R_4}\right) \end{split} \end{equation}

이므로 답은 3번이다.

앞에서도 소개한

(위쪽임피던스)(아래쪽임피던스)\frac{(위쪽 임피던스)}{(아래쪽 임피던스)}

식은 직관적이고 유용하므로 잘 사용하자.