CS, CG, CD Amp 정리 & 학부 시험에 잘 나오는 문제 유형

오늘은 single-stage Amplifier 인 Common Source amp, Common Gate Amp, Common Drain Amp 에 대해 정리하는 시간을 가져보겠습니다. 각 Amp 의 특징에 대해 알아봅시다.

 

 

 

1. Common Source Amp

 

- 큰 입력 임피던스 

  Mosfet의 gate가 입력이니 oxide로 막혀있기 때문에 큰 입력 임피던스를 갖습니다. (전류가 gate 방향으로 흘러들어가지 않는다는 뜻. 하지만, 실제로는 gate에도 Leakage Current(누설 전류)가 있긴 합니다. 이게 곧 전력 손실이라는 원하지 않는 결과를 야기하는데, 아직 회로에 익숙하지 않은 학부생 분들은 나중에 아셔도 되는 내용입니다.)

 

- 위상 반전

A=-gm*R 의 전압 이득 식에서 부호가 음수이기 때문에 위상 반전 한다는 것을 쉽게 알 수 있습니다. 

 

하지만, 이 방법 말고 회로를 보고 직관적인 해석으로 위상이 반전하는지 비반전하는지 알 수 있는 방법이 있습니다.

CS AMP가 위상 반전인지 비반전인지 모른다는 가정하에 아래 회로도를 보면서 위상 변화를 같이 판단해봅시다.

 

 

V_IN 노드의 전압이 증가하는 상황을 생각해 봅시다. 그러면 M1에 흐르는 전류는 증가합니다. 그렇게 되면 저항 Rd에서 일어나는 전압 변화는 커지므로 V_OUT 노드의 전압은 내려갑니다. 따라서 CS Amp 는 위상이 반전한다 라고 판단 할 수 있습니다. 

 

 

즉, V_IN  전압 증가 → Id 전류 증가 → V_OUT 전압 감소 (단, Source 전압이 고정일 때)

 

 

위와 같은 흐름을 가지고 있습니다. 물론 회로가 지금은 간단하여 굳이 이렇게 생각해야 하나 싶겠지만, 나중에 회로가 복잡해지면 절대 식을 다 전개해서 위상 반전 유무를 파악 할 수 없습니다. 

 

 

이 같은 방법을 가지고 CG amp 위상도 파악해 봅시다.

 

 

 

 

 

2. Common Gate Amp

 

- 작은 입력 임피던스

  작은 입력 임피던스를 갖고 있다는 것은 곧, 입력으로 전류를 잘 받을 수 있다는 것을 의미합니다.

 

 

- 위상 비반전

 

 

 

CG amp 에서 생각했던 것 처럼 위상을 따져봅시다.

 

V_IN  전압 증가 → Id 전류 감소 → V_OUT 전압 증가

 

위와 같은 방식으로 쉽게 위상을 파악할 수 있습니다.

 

 

 

 

 

3. Common Drain Amp (Source Follower)

 

- 작은 출력 임피던스

 

  다음의 상황을 예로 들어 생각해 봅시다. 높은 전압 이득값을 얻기 위해 amp 를 two stage 로 구성하였다고 가정해 봅시다. 단순히 각 amp 의 전압 이득값을 높게  가져간다고 전체적인 이득값이 예상한대로 올라가는 것은 아닙니다. Amp 의 output 쪽에 작은 값의 load 저항이 있다면, 두번째 단 amp의 output resistance 와 load resistance의 전압 분배로 전체 전압 이득값이 많이 내려가게 됩니다. 이렇게 되는 것을 원치 않다면 두번째 단 amp의 output resistance 값을 낮추어야 하고 이때 source follower 를 사용하면 됩니다. Source follower 의 output resistance 는 작기 때문에 load 저항에 의한 영향을 덜 받을 수 있기 때문입니다.   

 

- 위상 비반전

 

 

 

 

4. 학부 시험에 잘 나오는 유형

 

 

'전자 회로' 시간 초반에는 위와 같은 유형의 amp 들을 다룰 것입니다. 이 때 시험을 보면 꼭 나오는 유형이 있습니다. 바로 voltage swing 과 mosfet 의 동작 상태를 확인 하는 문제입니다. 

 

간단히 CS AMP 에서 확인해 봅시다.

 

 

 

 

예를 들어,

Vin(t) = 1[V] + 0.1[mV]sin(wt)  이라는 인풋이 M1 에 들어간다는 상황의 문제라고 생각해봅시다. 

여기서 다양한 경우의 문제가 나올 수 있겠죠. 적절한 M1의 W/L 값을 구하라고 할 수 있고, R1, R2 값을 구하라고 할 수도 있고, RD 값을 구하고 할 수도 있겠죠.

 

 

여기서 M1 의 동작 영역을 saturation 으로 유지 한채로 여러 parameter 값들을 구하라고 나올 것입니다. M1의 동작영역을 saturation 으로 유지한채로 다른 parameter 값을 구하세요 라고 문제가 나올 수도 있고, M1의 output swing 값을 최대로 하게끔 설계해보시오 라고 문제가 나올 수 도 있습니다.

 

 

결국 회로를 해석 할 수 있어야 합니다. Vin(t) = 1V + 0.1sin(wt)mV 가 의미하는게 무엇인지 먼저 파악해봅시다.

1V 는 DC 값을 의미하고, 뒤에 sin 함수는 소신호를 의미합니다. 하지만, 1V는 M1 gate에 인가 되지 않죠. 왜냐하면 그 사이에 Cap 이 blocking 하고 있기 때문입니다. 그렇다면 무엇으로 M1 의 동작점을 결정해주냐? R1, R2 의 전압 분배로 M1의 gate 쪽에 DC 전압 값을 형성시킵니다. 

 

 

우선, 이런 식으로 M1 의 Gate, Source, Drain 에 가해지는 DC 전압들을 모두 파악 한 후 M1의 동작 영역을 파악해야 합니다. 그리고 나서 그 상태에서 소신호가 0.1[mV]sin(wt) 만큼 들어갔을 때 Vout 노드의 voltage sweep range를 또 파악해야 합니다. 소신호가 최대, 최소 일 떄 Vout 전압값을 확인해 주면 그 범위가 Vout 의 sweep range 가 되겠지요. 

 

 

그런데, 여기서 Vout 노드의 voltage sweep range 를 왜 파악해야 하느냐. Vout 노드 또한 sin 함수 형태로 나올 것입니다. 그렇다는 것은 Vout 노드의 전압값은 시간에 따라 변한 다는 것이고 M1의 Drain 전압이 계속 바뀐다는 것입니다. 그러면 M1의 동작영역이 saturation 에 있다가 triode 영역으로 빠질 수 있습니다. 이것을 파악하기 위해서 voltage sweep range를 알아 보는 것입니다.