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공통 소스 증폭기 개념과 응용 회로들을 알아보자
공통 소스 증폭기는 V/I 변환(MOSFET의 특성) + I/V 변환(저항)의 조합이다. 이게 무슨말이냐? 게이트에 인가된 전압에 따라 전류를 만들고, …
Source: doctorinformationgs.tistory.com
Date Published: 10/18/2022
View: 7844
공통 소스 증폭기 – [정보통신기술용어해설]
Common Source Amplifier 공통 소스 증폭기. (2021-03-27). Common Source, 공통 소스, CS 증폭기. ▷ Top ▷ 전기전자공학 ▷ 전자회로 ▷ 증폭기 ▷ 소신호 증폭기 …
Source: www.ktword.co.kr
Date Published: 9/4/2022
View: 7850
FET 증폭기
BJT 증폭기에 비해 입력저항이 매우 커서, 증폭단 사이 신호전달이 보다 효율적임. 공통 소오스 증폭기. 공통 드레인 증폭기. 공통 게이트 증폭기 …
Source: web.yonsei.ac.kr
Date Published: 2/12/2021
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KR20110128353A – 공통 게이트 공통 소스 증폭기
단일 증폭기 설계에 공통 소스 및 공통 게이트 증폭기 토폴로지를 통합하는 기법이 개시된다. 일 양태에서, 입력 전압이 공통 소스 증폭기 및 공통 게이트 증폭기 양자 …
Source: patents.google.com
Date Published: 1/13/2021
View: 7498
7강. MOSFET의 바이어싱과 소신호 해석 (CS, CG, CD 증폭기)
공동 게이트 증폭기의 경우 입력에서 바라본 저항이 무한대가 아닙니다. 즉, 입력으로 전류가 흐를 수 있음을 의미하죠. 그리고 전압이득은 공통소스증폭기와 같지만 위상 …
Source: e-funny.tistory.com
Date Published: 8/30/2021
View: 9022
[아날로그전자회로실험] 4. 공통 소스 FET 증폭기
공통 소스(자기 바이어스) FET 증폭기의 직류 바이어스 해석을 한 다음, 그 결과를 이용하여 증폭기의 전압이득 Av, 입력 임피던스 Zi, 출력 임피던스 …
Source: mathphysics.tistory.com
Date Published: 6/4/2021
View: 1897
CS Amplifier(Common Source Amplifier), 공통 소스 증폭기
증폭기 · 위상 변화 및 주파수 없이 입력 신호의 강도 또는 진폭을 높이는 데에 사용 · 증폭기 회로는 FET 또는 BJT로 구성 · BJT보다 FET을 사용하는 증폭기 …
Source: yeji1214.tistory.com
Date Published: 2/4/2021
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주제에 대한 기사 평가 공통 소스 증폭기
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공통 소스 증폭기 개념과 응용 회로들을 알아보자
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시간이 많으면 좋을텐데… 식 증명과정에 대해서는 어느정도 생략을 했어요
2차 개정때는 증명과정들을 집어 넣어서 확실하게 이해할 수 있게끔 수정해볼게요
1차 작성은 대신호, 소신호해석에서 무엇을 의미하는지에 대해서 이해하기 쉽도록 적었습니다.
(증명 방법은 간단하게 적었으니 참고하셔도 좋아요)
이전 진도에 대한 복습
MOSFET는 V/I 컨버터임을 기존에 설명했던 MOS 물리를 읽어 보면 알 수 있는데
MOSFET의 게이트 전압이 인가되면 게이트 전압에 변화에 따른 전류의 결과를 대신호 해석을 통해 알 수 있었고 소신호 등가회로에서도 종속 전류원(Dependent Current Source)도 입력 전압에 따라 전류가 흐를 수 있음을 알 수 있다.
증폭기에 대한 원리는 아래의 포스팅을 통해 확인 할 수 있고 제일 간단한 증폭기인 CS를 살펴보도록 한다.
2021.07.02 – [회로 해석 기초 지식/Basic] – 전자회로에서 표현하는 증폭기란?
공통 소스 증폭기(Common Source Amplifier)
구 조
공통 소스 증폭기는 V/I 변환(MOSFET의 특성) + I/V 변환(저항)의 조합이다.
이게 무슨말이냐? 게이트에 인가된 전압에 따라 전류를 만들고, 만들어진 전류가 저항에 전압강하(V=IR)를 통해 나오는 결과를 의미하게 된다.
아래 사진 1을 통해 어떤 구조인지 확인해 볼 수 있다. 저항 아랫 첨자의 의미는 드레인(Drain)의 앞 글자를 딴 것이다.
사진 1. CS의 구조
대신호 해석
출력 전압은 식 1로 표현이 되며 게이트의 전압(Vin)을 증가하였을 때 생기는 변화는 사진 2와 같다.
식 1과 사진 2. 출력 전압의 변화
식 1을 통해 알 수 있는 것은 드레인 저항의 전압강하가 드레인 전류에 비례하기 때문에 Vin이 증가하면 출력 전압이 감소함을 알 수 있다.
1) 문턱전압 보다 낮을 때
MOS가 전원이 켜져있지 않기 때문에 개방회로로 동작하여, 출력 전압은 Vout과 같다.
2) 문턱전압보다 높을 때
MOS 내부에 채널이 형성이 되고 전류가 흐르기 시작하면서 드레인쪽 저항의 전압강하가 생겨 출력 전압이 떨어지기 시작한다.
그러면 Vout의 전압을 구하는 이유가 무엇일까? 라는 의문점이 생겨야한다.
사진 1에서 구해지는 출력 전압은 결국 드레인-소스의 전압을 구하는 것과 같다.(Vds=Vout)
그러면 드레인-소스 전압을 구하는건 알겠는데 드레인-소스 전압은 왜 구하는 것일까?
이 말은 드레인-소스 전압이 너무 낮게 되면 MOS가 트라이오드 영역에 동작할 수 있기 때문에 확인을 해보아야 한다.
*대신호에서의 채널길이 변조
채널길이 변조는 소신호 해석에 더 중요하기 때문에 생략하고 바이어스 점(Bias Point)를 보는게 계산하기 편하다 고려하지 않아도 이 지점은 나름 정확하니 고려하지 않는게 좋다.
증명 방법은 KVL을 VDD-RD-Vout 루프를 만들어 알 수 있다.
소신호 해석
소신호 등가회로에서의 전압이득을 구할 때는 KCL, KVL을 이용해서 구할 수 있지만 CS에서 식 1을 미분함으로써 식 2의 전압이득을 얻을 수 있습니다.
사진 3. 소신호 등가회로(채널길이 변조 고려x), 식 2
채널길이 변조를 고려안한 식 2를 통해 알 수 있는점은 gm을 키우거나 드레인 저항(부하 저항)의 값을 키우면 전압이들을 키울수 있습니다.
식 2에서 전압이득이 마이너스(-)의 부호를 가지고 있는데 이는 위상이 반전이 됨을 알아야 합니다.
채널길이 변조를 고려하면 아래와 같습니다.
사진 4. 채널길이변조를 고려한 소신호 등가회로, 식 3
식 3에서 알 수 있는 것은 ro와 부하저항의 병렬조합으로 표현이 가능합니다.
응용 회로
1. Diode Connected Load(다이오드 연결 부하)
다이오드 소신호 해석에서 다이오드의 소신호 등가모델은 하나의 저항으로써 표현이 되었음을 알고있다면 조금 더 이해하기 쉬울 수 있습니다.
Diode Connected Load 같은 경우 M2의 출력 임피던스가 1/gm2로 보이게 되며, 다이오드 소신호 등가모델과 비슷하게 표현이 가능하기 때문에 위와 같은 이름을 정해주게 된 것이죠
다이오드 연결 부하 같은 경우 작은 공정 스케일링에서 저항에 비해 훨씬 작기 때문에 칩의 면적을 고려하면 아주 좋은 선택일 수 있습니다.
사진 5 다이오드 연결 부하, 식 4
전압이득은 결국 M1과 M2의 gm에 따라 정해짐을 알 수 있는데 위 식 4를 보게되면 결국 전압이득은 M1의 W/L, 즉 MOSFET의 사이즈에 따라 결정됨을 알 수 있습니다.
추가적으로 M2를 NMOS 대신에 PMOS로 조절이 가능하기도 합니다. 식 5에서 알 수 있는 점음 PMOS의 이동도(mu)는 NMOS보다 낮으니 더 높은 전압 이득을 취할 수 있습니다.
사진 6. PMOS 다이오드 연결 부하, 식 5
2. 전류원 부하를 가지는 CS 증폭기
공통소스 증폭기와 저항의 조합은 gm을 키우거나, 드레인의 저항을 키움으로써 전압 이득을 키울 수 있음을 알 수 있었습니다.
gm을 키우면 전류소모가 증가하여 회로의 전력소모가 커지는 문제점과 부하저항의 값을 너무 키우게 되면 트랜지스터가 트라이오드 영역에서 동작하게 되는 문제점이 발생하게 되죠
따라서 이 문제점을 해결하고자 나온 것이 전류원 부하를 가지는 공통소스 증폭기 입니다.
사진 7. PMOS 전류원소자를 사용한 CS 단, 식6. 출력 임피던스, 식 7. 전압이득
나중에 캐스코드라는 구조로 전압이득을 더 뻥튀기 할 수 있는 구조도 있지만 출력에서 바라보는 임피던스가 M1, M2의 저항성분이 보이게 됩니다. ro 저항은 매우 큰 값을 가질수 있고, 저항보다 작은 면적, 더 높은 값을 사용 가능하게 됩니다. M1이 트라이오드에서 동작하는 문제를 M2의 소스-드레인 전압강하만 고려하면됩니다.
전압이득은 M1의 트랜스컨덕턴스와 ro1,2 저항의 병렬 연결이 나오게 됩니다.
3. 트라이오드 부하를 가지는 CS 증폭기(많이 중요한 구조는 아님)
응용 2에서의 전류원에서의 동작은 포화영역에서 동작하고 있고, 응용 3은 트라이오드 영역에서 동작하게 되는데 여기서 동작영역을 트라이오드 영역 중 Deep 트라이오드 영역에서 동작을 하게되는겁니다.
사진 9. 트라이오드 부하를 가진 회로 식 9. 전압이득과 온 저항
식 9를 통해 알 수 있는 점은 ro와 온 저항의 병렬 조합으로 표현이 가능하다.
4. 소스 축퇴(또는 감생) 저항을 가지는 CS (Source Degeneration Resistor CS)
(이 중요한 부분이라 증명을 많이 함)
트랜스컨덕턴스의 의미를 이해하기 어려우신 분들은 아래 링크를 참조하여 이해하기에 도움이 됩니다
2021.10.09 – [회로 해석 기초 지식/Basic] – 트랜스컨덕턴스(gm)의 의미
구조를 먼저 보자 소스에 저항이 달려 있음을 확인할 수 있는데, 이 축퇴 저항을 달아줌으로써 비선형인 능동소자를 보다 선형적으로 만들어 줄 수있는 장점이 있다.
사진 10. 소스 축퇴 저항 CS
축퇴 저항을 해석하기 위한 첫번째 절차로 각각의 소자가 전압강하를 얼마나 가지는지에 대해서 알아야 한다.
사진 11. KVL 적용
입력 쪽에 KVL을 적용하면 아래와 같다.
식 10
식 10을 통해서 알 수 있었던 것은 기존에 입력 전압이 VGS와 동일했지만 축퇴 저항의 전압강하의 성분이 더 들어감을 알 수 있다.
소신호 등가 모델을 통해서 Vgs에 대해 계산을 해보면 아래와 같다.
사진 12. 소신호 등가회로를 통한 증명1
식 10의 드레인 전류는 소신호 모델에서 gmVgs임으로 전압이득을 계산하면 아래와 같은 연산과정을 거치는데
우리는 이 연산과정에서 축퇴저항이 어떤 역할을 하는지에 대해 알 수 있다.
사진 13. 증명 2
사진 13에서 전압이득의 위상은 (-) 부호인데 실수로 안적었네요 참고하시기 바랍니다.
무슨 역할을 하는지에 대해 더 자세히 알아보자 입력 전압을 증가 시켰을때 소스에 있는 가지(Branch)의 전압 변화량을 볼 때 MOSFET의 게이트-소스 전압은 작은 변화를 일으키지만 축퇴저항의 전압강하는 gmRs배 만큼 더 큰 전압 변화량이 결과적으로 나오게 된다.
사진 13. 입력 전압의 증가
따라서 전류의 변화량은 결국엔 (전류 할당)
선형성의 증가를 확인하기 위해 사진 14의 구조를 Gm이라 표현하고, 전압 변화에 따른 전류의 변화 즉 축퇴 저항을 포함한 트랜스컨덕턴스는 아래와 같이 표현 가능하다.
사진 14. Gm
식 11
식 12
식 13
사진 14와 식 13을 통해 알 수 있는 점은 전압 변화에 따른 전류의 결과가 결국 축퇴 저항이 대부분 할당함을 알 수 있다.
선형성이 어떻게 좋아지는지는 사진 15를 통해 알 수 있다.
사진 15 선형성의 변화(채널길이 변조 고려한 수식)
축퇴 저항을 가진 cs 증폭기는 출력 저항을 증가시켜주는 것 장점이 하나 더 있다.
기존에 기존 CS stage 즉 MOSFET 드레인에서 보는 저항은 ro임을 알 수 있습니다만 축퇴저항을 추가한 CS stage의 출력 저항은 아래의 과정에서 알 수 있습니다.
사진 16. 출력 저항을 구하기 위해 테스트 전압과 전류를 흘린다.
식 14
입출력 임피던스를 구하는데에 어려움이 있으셨다면 아래의 링크를 통해 이해를 하는데에 도움을 얻으시기 바랍니다.
2021.10.07 – [회로 해석 기초 지식/Basic] – 입출력 임피던스는 왜 필요할까?
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KR20110128353A – 공통 게이트 공통 소스 증폭기 – Google Patents
H — ELECTRICITY
H03 — BASIC ELECTRONIC CIRCUITRY
H03F — AMPLIFIERS
H03F3/00 — Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
H03F3/45 — Differential amplifiers
H03F3/45071 — Differential amplifiers with semiconductor devices only
H03F3/45076 — Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of implementation of the active amplifying circuit in the differential amplifier
7강. MOSFET의 바이어싱과 소신호 해석 (CS, CG, CD 증폭기)
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MOSFET의 증폭기/ 전압이득에대해 알아보겠습니다.
포스팅의 큰 주제는 아래와 같습니다.
MOSFET CS증폭기 CG증폭기 CD증폭기 소신호해석 전압이득
1. Common Source Amplifier (공통 소스 증폭기)
2. Common Gate Amplifier (공통 게이트 증폭기)
3. Common Drain Amplifier (공통 드레인 증폭기)
이러한 증폭기는 기본적으로 동작시키기 위하여 정확한 동작점을 잡는것이 선행되어야 합니다.
들어가기전 MOSFET의 적절한 동작점을 잡는 방법에대해 알아보겠습니다.
[ MOSFET의 동작점 잡기 ]MOSFET의 동작점 Q를 잡은 모습입니다.
BJT와 마찬가지로 적절한 동작점을 설정하여 출력전압을 증가시키면 전압이득을 키울 수 있습니다.
하지만 동작점이 차단영역이나 선형영역으로 신호의 출력이 왜곡되어 안정적인 출력을 할 수 없습니다.
따라서 그래프의 Q점처럼 신호의 출력이 왜곡되지 않는 안정된점을 설정하는것이 중요합니다.
적절한 동작점을 잡았을 경우, 아래처럼 출력이 안정된 형태로 증폭되어 나옵니다.
하지만 차단영역에 가깝게 동작점이 설정되어있다면 출력은 왜곡됩니다.
출력신호를 왜곡되지 않게하면서 증폭도가 높은 안정된 출력을 얻을 수 있도록 동작점을 잡기위해서
load-line(부하곡선)을 그려서 적절한 동작점을 그래프와 계산식을 통해 구할 수 있습니다.
[ MOSFET의 소신호 해석 ]안정적인 동작점 Q가 포화영역에 있음을 확인했습니다.
그리고 포화영역에서 동작할 때, 정전류원으로 동작하며 증폭기의 역할을 수행할 수 있습니다.
이에 근거하여 드레인 전류식을 써보겠습니다.
아래 붉은색으로 표시한 i D 의 마지막항은 소신호의 제곱형태로서 신호를 무시할 수 있을 정도로 값이 작습니다.
드레인 전류를 다시 정리하면 (소신호 제곱항을 무시하면)
이제 간략화 한 전류식에서 소신호 전류를 따로 떼내어 식을 분석하겠습니다.
이 식에서도 트랜스컨덕턴스 g m 을 구할 수 있습니다.
트랜스 컨덕턴스란, 전압증가분의 전류증가분으로 표현할 수 있으며 증폭기의 증폭도를 결정하는 중요한 변수입니다.
MOSFET에서 트랜스컨덕턴스 식을 다양한 형태로 변형할 수 있습니다.
[ 채널길이 변조 (Channel Length Modulation) ]V Dsat 을 계속 증가할 때 드레인 접합에 역방향 전압의 증가로 공핍영역이 확장됩니다.
그 영향으로 채널의 길이가 ΔL만큼 감소하게 되는데, 이 현상을 채널길이 변조라고 합니다.
소스를 떠난 전자들이 채널을 통과하여 드레인 공핍영역에 들어가게되는데,
공핍 영역에 들어간 전자는 드레인영역의 강한 전계에 영향을 받아 드레인으로 넘어가게됩니다.
즉, 여전히 MOSFET이 동작을 하는데는 문제가 없습니다.
이 채널 길이 변조때문에 드레인전압이 증가할 때, 정전류원이 되지 못하고 드레인 전류 역시 증가하게됩니다.
위 그래프에서 표현되듯 MOSFET에서도 얼리전압이 나타나고, 그 값은 아래와 같습니다.
$$V_A=\frac{1}{\lambda}$$
이 채널길이변조를 고려한 전류식은 또 다음과 같습니다.
그리고 v DS 가 채널길이를 변조시킴으로 드레인전류를 바꿔주는 출력저항(얼리저항)이 나옵니다.
MOSFET의 소신호 모델
① 하이브리드 π모델
BJT와는 다르게 이번에는 얼리저항을 고려하여 등가모델을 그려보았습니다.
MOSFET 등가회로의 가장 큰 특징은 Gate단자로 전류가 흐를 수 없기때문에 회로와 끊어져있는 모습입니다.
② T 모델
T 모델은 소스 쪽에 저항이있을 때 등가회로로 바꾸면 계산이 수월해집니다.
마찬가지로 T모델에서도 게이트단자에는 전류가 흐를 수 없습니다.
MOSFET 증폭기
MOSFET 증폭기를 역시 BJT와 마찬가지로 회로 해석의 순서는 동일합니다.
1. 직류해석을 통해 MOSFET의 동작점을 구합니다.
2. 소신호파라미터 g m 을 구해줍니다.
3. 소신호 해석 시에 직류전압원은 단락하고, 직류전류원은 개방하여 제거합니다.
4. 소신호 모델을 사용하여 회로를 해석합니다.
① 공통 소스 증폭기 ( CS – Amplifier )
입력 – 게이트 / 출력 – 드레인
게이트로는 전류가 흐를 수 없기 때문에 입력저항은 무한대입니다.
그리고 전체이득 역시 입력저항이 무한대이기 때문에 회로의 전압이득과 값이 같습니다.
※ 소스에 저항이 있을 때
입력 – 게이트 / 출력 – 드레인
소스에 저항이 있을 때 전압이득은 (1+g m R S )만큼 줄어들게 됩니다.
하지만 안정성이 향상되고 전압이득이 g m 에 관계없이 일정한 값을 가집니다.
따라서 소스에 저항이 있으면 전압이득은 감소하지만 그만큼 회로의 안정성을 얻게됩니다.
② 공통 게이트 증폭기 ( CG – Amplifier )
입력 – 소스 / 출력 – 드레인
공동 게이트 증폭기의 경우 입력에서 바라본 저항이 무한대가 아닙니다.
즉, 입력으로 전류가 흐를 수 있음을 의미하죠.
그리고 전압이득은 공통소스증폭기와 같지만 위상은 입력과 동일합니다.
전체이득 역시 입력저항이 무한대가 아니기때문에 회로의 전압이득과 같지않습니다.
③ 공통 드레인 증폭기 ( CD – Amplifier )
입력 – 게이트 / 출력 – 소스
공통 드레인 증폭기는 전압이득이 1에 가까운값을 가집니다.
즉, 입력의 전압을 출력으로 전달하는 ‘전압 버퍼’의 역할을 수행합니다.
이러한 이유에서 공통 콜렉터를 “전압 버퍼(Voltage Buffer) 혹은 소스팔로워”라고 합니다.
※ 개별회로 공통소스 증폭기
개별회로 공통소스 증폭기는 앞서 말씀드린 공통소스 증폭기와는 다릅니다.
게이트에 입력저항 R G 가 붙음으로 더이상 입력저항이 무한대가 아닙니다.
그리고 커패시터를 이용하여 직류신호를 차단하고,
소신호 해석시 단락되어 소신호 입력이 증폭되어 출력으로 나올 수 있게됩니다.
지금까지 전자회로 과정 초반부 다이오드, BJT, MOSFET에 대해서 알아보았습니다.
다음번부터 포스팅 될 전자회로 포스팅은 좀 더 심화된 내용으로 찾아뵙겠습니다.
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6강. MOSFET
5강. BJT 바이어싱과 소신호해석 (CE, CB, CC 증폭기)
18강. MOSFET과 MOSFET동작원리
CS Amplifier(Common Source Amplifier), 공통 소스 증폭기
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공통 소스 증폭기에 대해 배우기 전에
전자 회로에서 증폭기를 설명해 보겠습니다.
공부를 하고 있는 중이니 틀린 부분이 있으면 알려주시면 감사하겠습니다.
증폭기
위상 변화 및 주파수 없이 입력 신호의 강도 또는 진폭을 높이는 데에 사용
증폭기 회로는 FET 또는 BJT로 구성
BJT보다 FET을 사용하는 증폭기 회로의 장점은 입력 신호에서 높은 입력 임피던스, 높은 전압 이득 및 낮은 잡음을 생성하기 때문에 소신호 증폭기로 사용
FET은 소스, 드레인 및 게이트의 세 가지 단자가 있는 전압 제어 장치여서 단자를 기반으로 공통소스, 공통드레인, 공통게이트 증폭기 회로로 3개의 증폭기로 구성
공통소스 증폭기는 높은 입력 및 출력 임피던스를 생성 할 수 있고 성능도 높기 때문에 다른 증폭기 회로보다 가장 널리 사용
공통 소스 증폭기(CS amplifier)
입력이 게이트에 인가됨
드레인 단자에서 출력을 얻을 수 있음
소스를 입출력 단자에 공통(교류 접지)으로 한 MOSFET 소신호 증폭기
적용 : 센서 신호의 증폭, RF 신호의 저 잡음 증폭, TV와 FM 수신기와 같은 통신 시스템에 사용
참고 : www.ktword.co.kr/abbr_view.php?m_temp1=5009
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키워드에 대한 정보 공통 소스 증폭기
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