단일단 증폭기
트랜지스터는 게이트 전압을 드레인 전류로 바꾸는 소자다. 그 전류를 저항에 흘리면 다시 전압이 되고, 이 전압이 처음 게이트 전압의 변화보다 크면 증폭기다. 트랜지스터 하나와 저항 하나로 만드는 이 회로가 모든 아날로그 회로의 기본 벽돌이다. 신호를 어느 단자로 넣고 어느 단자로 빼느냐에 따라 공통 소스, 소스 팔로워, 공통 게이트라는 세 가지 성격이 나오고, 둘을 포개면 캐스코드가 된다. 이 장에서는 그 벽돌 하나하나를 끌어 보며 이득·스윙·임피던스가 어떻게 맞바뀌는지 본다.
- 부하선과 \(I_D\)–\(V_{DS}\) 곡선의 교점으로 공통 소스 증폭기의 동작점을 찾고, 전달 특성(VTC)의 기울기가 이득임을 설명한다.
- 이득 \(-g_m(R_D\parallel r_o)\)를 손으로 계산하고, \(R_D\)를 키우면 헤드룸이 사라져 이득이 무너지는 이유를 말한다.
- 출력 스윙의 위·아래 한계와 비대칭 잘림이 만드는 고조파 왜곡(THD)을 설명한다.
- 능동 부하와 소스 디제너레이션이 이득·선형성·출력 직류 전압에 미치는 영향을 계산한다.
- 소스 팔로워(이득 1 미만, 낮은 출력 임피던스)와 공통 게이트(입력 임피던스 \(1/g_m\))의 쓰임을 구분한다.
- 캐스코드가 출력 저항을 약 \(g_m r_o\)배 키우는 원리와 그 대가인 헤드룸을 말한다.
공통 소스: 부하선 위의 동작점
NMOS의 소스를 접지에 두고 게이트에 입력을, 드레인에 저항 \(R_D\)를 거쳐 전원을 연결한다. 소스가 입력과 출력에 공통이므로 공통 소스(Common Source, CS) 증폭기라 부른다. 게이트 전압 \(V_{IN}\)이 오르면 드레인 전류가 늘고, \(R_D\)에 걸리는 전압이 커져 출력 \(V_{OUT} = V_{DD} - I_D R_D\)는 내려간다. 입력과 출력의 방향이 반대인 반전 증폭기다.
동작점은 두 조건을 동시에 만족하는 점이다. 트랜지스터는 \(V_{GS}\)마다 정해진 \(I_D\)–\(V_{DS}\) 곡선을 따르고, 저항은 \(I_D = (V_{DD}-V_{DS})/R_D\)라는 직선(부하선(Load Line))을 강요한다. 두 그래프의 교점이 동작점이다. \(V_{IN}\)을 바꾸면 곡선이 바뀌고 교점이 부하선을 따라 미끄러진다.
아래 시뮬레이터에서 \(V_{IN}\)을 끌어 보자. 가운데 그래프에서 굵은 곡선이 지금의 \(V_{GS}\)이고, 부하선과 만나는 점이 동작점이다. 오른쪽은 엔진이 \(V_{IN}\)을 0에서 1.2 V까지 쓸어(DC 스윕) 얻은 전달 특성(Voltage Transfer Characteristic, VTC)이고, 동작점에서 그은 접선의 기울기가 소신호 이득이다.
동작점은 부하선을 따라 미끄러진다
소자를 눌러 보자
회로도의 M1이나 RD를 누르면 동작점(전류, gm, ro, 영역)과 그 소자가 하는 일이 나온다.
VTC는 세 구간으로 나뉜다. \(V_{IN} < V_{TH}\)(약 0.45 V)에서는 전류가 거의 없어 출력이 \(V_{DD}\)에 붙고, 문턱을 넘으면 출력이 가파르게 떨어지며, \(V_{OUT}\)이 \(V_{IN}-V_{TH}\) 아래로 내려가면 트랜지스터가 선형 영역으로 빠져 기울기가 다시 눕는다. 증폭기로 쓰는 곳은 가운데의 가파른 구간뿐이다. 그래서 설계는 동작점을 이 구간의 한가운데에 놓는 일(바이어스)에서 시작한다.
이득 −gm(RD∥ro)와 헤드룸
동작점 근처의 작은 변화만 보면 트랜지스터는 전압 제어 전류원 \(g_m v_{gs}\)와 출력 저항 \(r_o\)의 병렬이다(3장의 소신호 모델). 입력 \(v_{in}\)이 만든 전류 \(g_m v_{in}\)이 출력 마디에서 \(R_D\)와 \(r_o\)의 병렬을 지나며 전압이 된다.
식만 보면 \(R_D\)를 키울수록 이득이 커진다. 그러나 같은 전류에서 \(R_D\)를 키우면 \(R_D\)에 걸리는 직류 전압 \(I_DR_D\)도 커지고, 출력 직류 전압이 그만큼 내려간다. 출력이 \(V_{ov}\)(포화 경계) 아래로 내려가는 순간 트랜지스터는 선형 영역으로 빠지고 \(g_m\)과 \(r_o\)가 함께 무너진다. 전원 전압 안에서 소자를 포화에 두기 위한 여유를 헤드룸(Headroom)이라 한다.
RD를 키우면 이득은 어디까지 오르나
최대 이득은 \(R_D\)가 아니라 전압 예산이 정한다. \(I_DR_D\)는 \(V_{DD} - V_{OUT}\)을 넘을 수 없고 \(V_{OUT}\)은 \(V_{ov}\)보다 커야 하므로, 강반전 제곱 법칙 \(g_m = 2I_D/V_{ov}\)를 쓰면 \(r_o\)를 무시한 이득의 상한은 다음과 같다.
즉 저항 부하 공통 소스의 이득은 \(V_{DD}\)가 1.8 V인 한 수십을 넘지 못한다. 전원 전압이 낮아진 미세 공정일수록 더 심하다. 이득을 키우려면 직류 전압 강하는 작고 교류 저항은 큰 부하가 필요하다. 그것이 4절의 능동 부하다.
출력 스윙과 왜곡
작은 신호에서는 VTC의 접선만 보면 되지만, 신호가 커지면 VTC의 휘어짐이 그대로 출력 파형에 찍힌다. 공통 소스는 위아래가 비대칭이다. 출력이 위로 갈 때(입력이 내려갈 때)는 전류가 줄어 \(V_{DD}\)에 천천히 다가가고, 아래로 갈 때(입력이 올라갈 때)는 전류가 제곱으로 늘어 더 빨리 내려가다가 선형 영역에 부딪혀 납작해진다. 위아래가 다르게 휘면 짝수 고조파(특히 2차)가 생긴다.
큰 신호를 넣으면 출력은 어떻게 잘리나
진폭이 작을 때 2차 고조파는 진폭에 비례해 커진다(제곱 법칙 \(I_D \propto (V_{ov}+v_{in})^2\)의 \(v_{in}^2\) 항). 강반전 제곱 법칙만 보면 \(HD_2 \approx \tfrac14\,\hat v_{in}/V_{ov}\)이므로 \(V_{ov}\) = 0.2 V에서 입력 20 mV면 약 −30 dB다. 공통 소스는 진폭을 키울수록 아래쪽이 먼저 막히므로, 출력 직류 전압이 스윙의 위·아래 여유를 함께 정한다.
이득과 스윙도 맞바꿈이다. \(R_D\)를 키우면 이득은 커지지만 \(V_{OUT,Q}\)가 내려가 아래 여유가 줄고, 같은 출력 진폭을 내려면 VTC의 더 휜 부분을 써야 한다. 5절의 소스 디제너레이션이 이 맞바꿈을 다른 손잡이로 푼다.
능동 부하: 직류는 작게, 교류는 크게
저항 부하의 문제는 직류 전압 강하와 교류 저항이 같은 값 \(R_D\)로 묶여 있다는 것이었다. PMOS 전류원으로 부하를 바꾸면 둘이 풀린다. PMOS를 포화에 두면 직류로는 \(|V_{DS}|\)가 수백 mV만 있으면 되지만, 교류로는 출력 저항 \(r_{o2}\)(수백 kΩ)로 보인다. 이것이 능동 부하(Active Load)다.
대가가 있다. 출력 마디에는 두 전류원이 정면으로 마주 보고 있다. 아래의 M1은 \(V_{IN}\)이 정한 전류를, 위의 M2는 \(V_B\)가 정한 전류를 밀어 넣으려 한다. 두 전류가 조금만 달라도 출력 전압은 그 차이를 \(r_{o1}\parallel r_{o2}\)로 메우기 위해 크게 움직인다. 이득이 크다는 것은 곧 출력 직류 전압이 바이어스 오차에 그만큼 예민하다는 뜻이다.
이득이 크면 출력 직류가 예민하다
소자를 눌러 보자
M1(입력)과 M2(전류원 부하)를 누르면 동작점과 출력 저항이 나온다. 포화를 벗어난 소자는 빨갛게 칠해진다.
그래서 능동 부하 증폭기는 혼자 쓰지 않는다. 출력 직류 전압을 잡아 주는 무엇, 즉 전체를 감싸는 피드백이나 부하 전류를 입력 전류에 맞춰 복사하는 전류 미러(5장)와 함께 쓴다. 엔진에서 \(V_B\) 1 mV가 출력 약 40 mV를 움직인다는 것은, 이 회로의 PMOS 쪽 \(g_{m2}\)도 입력처럼 증폭된다는 뜻이다(\(\Delta V_{OUT}/\Delta V_B = g_{m2}(r_{o1}\parallel r_{o2})\)).
소스 디제너레이션: 이득을 팔아 선형성을 산다
공통 소스의 소스와 접지 사이에 저항 \(R_S\)를 넣는다. 입력이 올라 전류가 늘면 \(R_S\)의 전압도 올라 소스가 따라 올라가고, 실제로 게이트–소스에 걸리는 전압 변화는 입력보다 작아진다. 소자 안에 작은 음의 피드백이 생긴 것이다. 이를 소스 디제너레이션(Source Degeneration)이라 한다.
같은 원리로 비선형도 \(1+g_mR_S\)배 가까이 줄어든다. 트랜지스터의 휘어짐이 소스 전압의 되먹임으로 상당 부분 지워지기 때문이다. 아래에서는 공정한 비교를 위해 출력 진폭을 같게(이득이 줄면 입력을 그만큼 키워) 두고 \(R_S\)를 바꾼다. 전류는 62 µA로 유지되도록 입력 바이어스를 다시 맞춘다.
RS 하나로 왜곡이 얼마나 줄어드나
여기서 본 것은 앞으로 이 책 전체에 되풀이되는 원리의 가장 작은 형태다. 이득을 루프 이득만큼 내주면, 비선형·공정 산포가 그만큼 줄어든다. \(R_S\)는 한 소자 안의 피드백이고, 8장의 피드백은 증폭기 전체를 감싸는 같은 거래다. \(R_S\)의 대가는 이득 외에도 있다. \(I_DR_S\)만큼 헤드룸을 먹고(62 µA × 4 kΩ ≈ 0.25 V), \(R_S\)의 열잡음이 더해진다.
소스 팔로워와 공통 게이트
공통 소스가 "전압을 크게"라면 나머지 두 연결은 "임피던스를 바꾸는" 회로다. 소스 팔로워(Source Follower, 공통 드레인)는 게이트로 넣고 소스로 뺀다. 소스는 게이트보다 \(V_{GS}\)만큼 낮은 곳에서 게이트를 따라다닌다. 전압 이득은 1이 안 되지만 출력 임피던스가 \(1/g_m\) 수준(수 kΩ)으로 낮아 무거운 부하를 몰 수 있다. 입력은 게이트이므로 앞단에서는 전류를 거의 빼 가지 않는다. 즉 버퍼다.
출력은 입력을 얼마나 잘 따라가나
소자를 눌러 보자
M1(팔로워)과 M2(전류원 부하)를 누르면 동작점이 나온다. M1의 VTH가 바디 효과로 얼마나 올랐는지 보자.
레벨 시프트는 단점이자 장점이다. 소스 팔로워의 출력 직류는 입력보다 \(V_{GS}\)(약 0.6~0.7 V, 바디 효과 포함)만큼 낮으므로 1.8 V 전원에서는 스윙을 크게 깎는다. 반대로 다음 단의 입력 직류를 맞추는 데 쓰기도 한다. 칩 밖의 무거운 부하(패드, 측정 장비)를 모는 시험용 버퍼, 레퍼런스 전압 버퍼에 자주 쓴다.
공통 게이트(Common Gate, CG)는 게이트를 직류 전압에 고정하고 소스로 넣어 드레인으로 뺀다. 입력 전류가 소스로 들어오면 거의 그대로 드레인으로 나간다(전류 버퍼). 소스에서 들여다본 저항은 \(1/(g_m+g_{mb})\)로 작고, 전압 이득은 \(+g_mR_D\)로 공통 소스와 크기가 같되 반전이 없다. 광검출기·안테나처럼 신호가 전류로 오는 곳, 50 Ω 입력 정합, 그리고 다음 절의 캐스코드에 쓴다.
소스로 들어가면 왜 저항이 작은가
공통 게이트는 입력 저항이 작아 전압 신호원(신호원 저항 수 kΩ 이상)으로 몰면 이득을 대부분 잃는다. 신호원 저항 \(R_{sig}\)가 있으면 이득은 \(R_D/(R_{sig}+1/g_m)\) 정도로, \(R_{sig}\)가 10 kΩ이면 1에 가깝다. 공통 게이트는 전류로 몰아야 제 몫을 한다. 마지막 절에서 신호원 저항을 바꿔 가며 이를 다른 구조들과 비교한다.
캐스코드: 출력 저항을 gmro배로
능동 부하 공통 소스의 이득 \(g_m(r_{o1}\parallel r_{o2})\)는 결국 \(r_o\)가 정한다. \(r_o\)를 키우는 가장 강력한 방법은 공통 소스 M1 위에 공통 게이트 M2를 하나 더 얹는 것이다. M1의 드레인 전압이 출력과 함께 흔들리던 것을, M2가 소스 쪽에서 "거의 고정"시킨다. 출력 전압이 변해도 M1이 보는 \(V_{DS1}\)은 거의 변하지 않으므로 전류도 거의 변하지 않는다. 이 쌓기를 캐스코드(Cascode)라 한다.
대가는 헤드룸이다. 출력은 이제 두 소자를 모두 포화에 둘 만큼 높아야 한다. \(V_{OUT} \ge V_{ov1} + V_{ov2}\)(정확히는 \(V_{B2} - V_{TH2}\))이고, 그 아래에서는 M2가, \(V_{B2}\)를 너무 낮게 잡으면 M1이 선형으로 빠진다. 아래 시뮬레이터는 출력 단자에 전압원을 달아 \(V_{OUT}\)을 쓸고 흐르는 전류를 재서, 출력 저항(곡선 기울기의 역수)을 직접 보여 준다.
캐스코드 바이어스가 틀리면 무너진다
소자를 눌러 보자
M1(입력)과 M2(캐스코드)를 누르면 동작점이 나온다. VB2를 바꿔 가며 어느 소자가 먼저 포화를 잃는지 보자.
캐스코드는 이득 말고도 두 가지를 준다. 입력 소자 M1의 드레인이 고정되어 있으므로 \(C_{gd1}\)의 밀러 효과가 거의 사라지고(7장), 출력의 흔들림이 입력으로 새어 들어가지 않는다(역방향 격리). 대신 1.8 V 전원에서 소자 두 개의 \(V_{ov}\)와 바이어스 여유를 쌓아야 하므로, 전원 전압이 낮을수록 쓰기 어렵다. 쌓은 캐스코드 대신 공통 게이트를 옆으로 꺾어 붙이는 폴디드 캐스코드가 그래서 나왔다.
다섯 구조 한눈에
같은 소자(NMOS 10/1 µm), 같은 전류(50 µA), 같은 부하 커패시터(0.5 pF)로 다섯 구조를 만들어 엔진으로 나란히 잰다. 공통 소스류는 \(R_D\) = 10 kΩ, 소스 팔로워는 NMOS 전류원 부하다. 신호원 저항 \(R_{sig}\)를 바꾸면 입력 임피던스가 다른 구조들의 성적이 어떻게 뒤바뀌는지 보인다.
단일단 구조 비교기
| 구조 | 전압 이득 | 입력 저항 | 출력 저항 | 주된 쓰임 |
|---|---|---|---|---|
| 공통 소스 | \(-g_m(R_D\parallel r_o)\) | ∞(게이트) | \(R_D\parallel r_o\) | 전압 이득 |
| CS + \(R_S\) | \(-g_mR_D/(1+g_mR_S)\) | ∞ | ≈ \(R_D\) | 선형·정밀 이득 |
| 소스 팔로워 | ≈ \(1/(1+\eta)\) | ∞ | ≈ \(1/(g_m+g_{mb})\) | 버퍼, 레벨 시프트 |
| 공통 게이트 | \(+g_mR_D\)(전류 구동 시) | ≈ \(1/(g_m+g_{mb})\) | ≈ \(R_D\) | 전류 버퍼, 입력 정합 |
| 캐스코드 | \(-g_m(R_D\parallel g_{m2}r_{o2}r_{o1})\) | ∞ | \(R_D\parallel g_{m2}r_{o2}r_{o1}\) | 고이득, 고속(밀러 회피) |
표와 시뮬레이터가 말하는 것은 하나다. 모든 단일단은 이득, 스윙, 임피던스, 속도 가운데 무엇을 사고 무엇을 파는지가 다를 뿐이다. 실제 증폭기는 이 벽돌들을 이어 붙여 필요한 것만 골라 갖는다. 공통 소스로 이득을, 캐스코드로 출력 저항을, 소스 팔로워로 낮은 출력 임피던스를 얻는 식이다.
AB-1에 적용: 저항 부하로는 70 dB가 안 된다
AB-1 OTA는 70 dB 이상의 이득을 목표로 한다. 이 장의 가장 단순한 벽돌, 저항 부하 공통 소스로 어디까지 가는지 엔진으로 확인한다.
저항 부하 CS: 이득 약 8(18 dB), 70 dB에는 약 400배 모자란다
3장에서 고른 NMOS 10/1 µm을 \(V_{GS}\) 0.65 V(\(I_D\) ≈ 62 µA)에 두고 \(R_D\) = 15 kΩ을 달면, 엔진 동작점은 \(V_{OUT}\) ≈ 0.87 V(포화), \(g_m\) ≈ 580 µS, \(r_o\) ≈ 216 kΩ이고 이득은 −8.1(18.2 dB)로 손 계산과 같다. \(R_D\)를 키우면 약 22 kΩ에서 최대 약 11에 이른 뒤 선형 영역으로 무너진다. 70 dB(약 3,160배)를 저항으로 얻으려면 \(R_D\) ≈ 5.4 MΩ이 필요하고, 62 µA에서 그 전압 강하는 약 340 V다. PMOS 전류원 부하로 바꾸면 이득은 약 56(35 dB)으로 오르지만 출력 직류가 \(V_B\) 1 mV당 약 40 mV 움직인다. 캐스코드(\(V_{B2}\) 1.1 V)는 출력 저항을 약 27 MΩ으로 키워 이상 부하 기준 이득 약 1.5만(84 dB)을 주지만, 출력 하한(무릎)이 약 0.6 V로 올라가 스윙을 깎는다.
핵심 정리
- 공통 소스의 동작점은 \(I_D\)–\(V_{DS}\) 곡선과 부하선의 교점이다. VTC의 가파른 가운데(포화 영역)만 증폭에 쓴다.
- 이득은 \(-g_m(R_D\parallel r_o)\)다. \(R_D\)를 키우면 이득이 오르지만 출력 직류가 \(V_{ov}\)에 닿는 순간 선형 영역으로 무너진다. 저항 부하의 이득 상한은 약 \(2(V_{DD}-V_{ov})/V_{ov}\)다.
- 공통 소스의 대신호 출력은 위·아래가 다르게 휘어 2차 고조파가 먼저 생긴다. 출력 직류 전압이 위·아래 스윙 여유를 나눈다.
- 능동 부하는 이득을 \(g_m(r_{o1}\parallel r_{o2})\)(AB180에서 약 50)로 올리지만 출력 직류가 바이어스 오차에 그만큼 예민해져 피드백이나 미러가 필요하다.
- 소스 디제너레이션은 이득을 \(1+g_mR_S\)배 내주고 선형성과 산포 둔감성을 산다. 피드백의 가장 작은 형태다.
- 소스 팔로워는 이득 약 \(1/(1+\eta)\), 출력 저항 \(1/(g_m+g_{mb})\)의 버퍼이고 \(V_{GS}\)만큼 레벨을 내린다. 공통 게이트는 입력 저항 \(1/(g_m+g_{mb})\)의 전류 버퍼다.
- 캐스코드는 출력 저항을 약 \(g_{m2}r_{o2}\)배 키우고 밀러 효과를 막지만, 소자 하나만큼의 헤드룸을 먹고 바이어스가 틀리면 무너진다.
확인 퀴즈
1. 저항 부하 공통 소스에서 \(g_m\) = 400 µS, \(R_D\) = 20 kΩ, \(r_o\) = 180 kΩ이다. 저주파 전압 이득은?
2. 저항 부하 공통 소스의 이득을 키우려고 같은 전류에서 \(R_D\)를 계속 키웠다. 어느 순간 이득이 오히려 급격히 줄어드는 이유는?
3. \(g_m\) = 500 µS인 공통 소스에 \(R_S\) = 6 kΩ의 소스 디제너레이션을 넣었다. \(R_D\) = 14 kΩ일 때 이득은 대략(바디 효과·\(r_o\) 무시)?
4. 소스 팔로워의 바디를 접지에 둔 경우 전압 이득이 1보다 뚜렷이 작은(약 0.8) 주된 이유는?
5. 공통 게이트 증폭기의 입력 저항이 \(1/(g_m+g_{mb})\)보다 훨씬 커지는 경우는?