Differential amplifier 에서 tail current source 꼭 필요한 이유?

이번에는 Differential amplifier(차등 증폭기)에서 tail current source 가 왜 꼭 필요한지에 대해 알아보겠습니다.

아래 회로도는 차등 증폭기의 가장 기본적인 모습이고, 처음 공부할 때 아래의 회로를 먼저 접했을 겁니다. 

 

 

 

 

차등 증폭기를 처음 떠올렸을 때는 위의 그림 처럼 구성되지 않았고 아래의 그림처럼 전류원 없이 구상되었습니다.

 

 

 

 

 

위의 그림처럼 전류원이 없이 제안되었지요. 이렇게 해도 차등 증폭기 동작은 합니다. 또한 차등 증폭기의 장점인 supply 전압의 noise 상쇄의 기능도 합니다. 하지만 input CM level 에 너무 예민하게 반응한다는 치명적인 단점이 있습니다. 

 

 

예를 들어, M1 , M2 의 gate 로 적당한 크기의 CM level 이 인가 된 상태로 차등 증폭기가 동작 한다면 아래의 output 파형 그래프 처럼 깔끔한 sine 파형 모양이 나올 겁니다.

 

 

 

 

 

하지만, M1, M2 의 gate 로 작은 크기의 CM level 이 인가된다면 output 파형이 잘려 나오는 clipping 현상이 일어날 겁니다. 아래 그래프 처럼 말이지요.

 

 

 

 

 

 

왜 이런 현상이 일어날까요? Input CM level 이 작은 상태로 input 으로 sine 파형 모양의 소신호 신호가 들어온다면 M1 , M2 가 turn off 되는 상황이 중간 중간 발생할 겁니다. 위의 그림에서 왼쪽 처럼 말이지요. 이 때 output node 는 전류가 흐르지 않기 때문에 VDD 값을 도출하게 됩니다. 

 

 

 

그럼 input CM level 에 의한 영향이 회로에 악영향을 덜 주도록 보안하면 되고, 그것에 대한 결과가 가장 위의 사진처럼 tail curretn source 를 추가하는 것입니다. 가장 위의 회로 사진처럼 ISS 크기의 전류원을 추가 했다고 생각해봅시다. 그렇다면 input CM level 이 어떤 값이던 간에 M1 과 M2 에 흐르는 DC 전류의 총 합은 ISS 이고, 항상 output CM level 이 정해져 있게 됩니다. Input CM level 이 어떤 크기던 간에 말이지요.(물론 여기서는 body effect 와 channel length modulation 영향은 무시했습니다.)

 

 

 

따라서 원하는 크기의 output CM level 이 나오게끔 여러 파라미터들을 설정해 준다면, M1과 M2가 turn off 되는 상황도 없을 것이고 input CM level 에 대한 악영향도 없앨 수 있는 제대로 된 differential amplifier 를 설계 할 수 있게 되는 것입니다.