Chapter 10

안정도와 주파수 보상

8장에서 피드백이 이득을 정확하게 만든다는 것을 봤고, 9장에서 이득 71.8 dB짜리 2단 OTA를 설계했다. 그런데 그 OTA의 출력을 입력에 그대로 묶으면, 신호가 루프를 한 바퀴 도는 동안 늦어지는 시간 때문에 빼야 할 신호가 더해질 수 있다. 그러면 증폭기는 발진기가 된다. 이 장은 루프가 얼마나 위험한지를 재는 눈금(위상 여유, 이득 여유, 나이퀴스트 선도)을 익히고, 밀러 커패시터 \(C_c\)와 영점 저항 \(R_z\)로 AB-1 OTA를 길들인다.

피드백 증폭기는 왜 발진하나

음의 피드백 증폭기는 출력의 일부를 입력에서 뺀다. 출력이 너무 크면 빼는 양이 커져 출력을 끌어내리고, 그래서 이득이 정확하고 안정해진다. 이 논리는 되돌아온 신호가 입력과 같은 시각에 도착한다는 가정 위에 서 있다. 실제 증폭기 안의 극점들은 신호를 늦춘다. 사인파로 보면 늦음은 위상 지연이다.

루프 이득을 \(L(j\omega) = A(j\omega)\beta\)라 하자. 어떤 주파수에서 \(L\)의 위상 지연이 정확히 180°이면, 빼기(−)와 180° 지연(−1배)이 겹쳐 되돌아온 신호가 입력에 더해진다. 그 주파수에서 \(|L| \ge 1\)이면 한 바퀴 돌 때마다 신호가 줄지 않고, 입력이 없어도 스스로 유지된다. 이것이 발진이고, 조건 \(L = -1\)(크기 1, 위상 −180°)을 바크하우젠 조건(Barkhausen criterion)이라 한다.

아래 시뮬레이터는 한 주파수의 사인 신호가 루프를 한 바퀴씩 도는 모습을 페이저(회전 벡터)로 보여 준다. 매 바퀴 되돌아온 페이저를 앞의 것 끝에 이어 붙이면, 그 합이 합산점 뒤의 오차 신호가 된다. 지연 φ를 180°로 끌어 보라.

SIMULATOR

되돌아온 신호가 180° 늦으면 빼기가 더하기가 된다

입력 x되돌아와 더해진 신호 −L·e오차 e (합산점 뒤)
되돌아온 신호 −L—
|1 + L|—
정상 상태 |e/x| = 1/|1+L|—
상태—
해볼 것: ① φ가 작을 때(60° 이하) 되돌아온 페이저는 입력 반대쪽을 향해 오차를 줄인다(음의 피드백). ② φ를 180°로 하면 모든 페이저가 같은 방향으로 늘어서 합이 1/(1−|L|)로 커진다. |L| = 0.9면 10배다. ③ 그 상태에서 |L|을 1로 올리면 합이 끝없이 자란다. 바크하우젠 조건, 즉 발진이다. ④ φ가 90°~180° 사이면 아직 "음의" 피드백이라 불러도 오차가 입력보다 커질 수 있다(피킹). (한 주파수의 정상 상태 사인 신호를 페이저로 본 모형. 매 바퀴 신호가 −L배가 되어 되돌아온다고 보고 부분합 Σ(−L)k을 그린다.)

본 것을 식으로 정리하면 폐루프 이득은 \(A/(1+A\beta)\)이고, 분모 \(1 + L\)이 0에 가까워질수록 폐루프 이득이 커진다. 안정도는 결국 "\(L(j\omega)\)가 −1에서 얼마나 멀리 떨어져 지나가는가"의 문제다. 그 거리를 위상으로 잰 것이 위상 여유, 크기로 잰 것이 이득 여유다.

$$A_{CL}(j\omega) = \frac{A(j\omega)}{1 + L(j\omega)},\qquad L = A\beta,\qquad \text{발진 조건: } |L| = 1,\ \angle L = -180^\circ$$
AB-1 OTA를 단위 이득 버퍼로 쓰면 β = 1, \(L = A\)다. 직류에서 \(|L|\) ≈ 3,900(71.8 dB)이고 단위 이득 주파수 \(f_u\) ≈ 23.5 MHz에서 \(|L|\) = 1이 된다. 그 주파수에서 위상 지연이 180°에서 얼마나 모자라는지가 위상 여유다.
음의 피드백은 주파수마다 다르다 "음의 피드백"은 직류에서의 부호일 뿐이다. 극점이 둘 이상이면 어떤 높은 주파수에서는 반드시 위상 지연이 180°를 넘는다. 그 주파수에서 \(|L|\)이 이미 1보다 작게 떨어져 있도록 만드는 것이 주파수 보상의 전부다.

위상 여유와 계단 응답

루프 이득의 크기가 1(0 dB)이 되는 주파수 \(f_u\)에서 위상 지연이 180°에 얼마나 못 미치는지를 위상 여유(Phase margin, PM)라 한다. 위상 지연이 180°가 되는 주파수 \(f_{180}\)에서 \(|L|\)이 0 dB보다 몇 dB 아래인지를 이득 여유(Gain margin, GM)라 한다.

$$\text{PM} = 180^\circ + \angle L(j2\pi f_u),\qquad \text{GM} = -20\log_{10}|L(j2\pi f_{180})|\ \text{dB}$$
AB-1 OTA(\(C_c\) = 1 pF, \(R_z\) = 2 kΩ, \(C_L\) = 2 pF): \(f_u\) ≈ 23.5 MHz, PM ≈ 67.5°, \(f_{180}\) ≈ 1 GHz, GM ≈ 52 dB(엔진 AN.ota2Open()).

PM은 숫자 하나지만 시간 영역에서 뜻이 분명하다. 극점 둘짜리 루프를 단위 귀환으로 닫으면 폐루프는 2차 시스템이 되고, PM이 작을수록 폐루프 극점이 허수축에 다가가 계단 응답이 울린다. 아래에서 두 번째 극점 \(p_2\)를 끌어 PM을 바꿔 보라.

SIMULATOR

위상 여유를 끌어내리면 계단 응답이 울린다

보드 선도 위를 끌면 p₂가 움직인다
PM (실제) / GM—
감쇠비 ζ (PM에서)—
오버슈트 응답 / 2차식—
1% 정착 시간—
해볼 것: ① PM 76°에서는 오버슈트가 거의 없다(ζ ≈ 1). ② PM 60°에서 약 9%, 45°에서 약 23% 오버슈트가 난다. ③ PM을 20° 아래로 내리면 계단 응답이 오래 울려 정착 시간이 몇 배로 늘어난다. 빨리 올라가는 것과 빨리 정착하는 것은 다르다. ④ p3를 켜면 이득 여유가 생기고, 같은 p2에서도 PM이 몇 도 더 깎인다. (L(s) = A0/[(1+s/ωp1)(1+s/ωp2)], A0 = 1000, GBW = 10 MHz, β = 1. 보드는 AN.pz → AN.bodeData, 계단 응답은 AN.closeLoop → AN.response, ζ는 AN.pmToZeta, 2차식 오버슈트는 AN.overshoot.)

극점 둘짜리 루프에서 PM, 폐루프 감쇠비, 오버슈트는 일대일로 묶인다. 아래 표는 엔진의 AN.pmToZeta와 AN.overshoot로 만든 것이다. 아날로그 설계에서 PM 60°를 흔한 목표로 잡는 이유가 보인다. 오버슈트 10% 아래, 울림 한두 번이면서 너무 느리지 않은 지점이다.

위상 여유감쇠비 ζ계단 오버슈트느낌
30°0.2742%오래 울린다
40°0.3729%AB-1의 Cc 0.6 pF·Rz 0
45°0.4223%최소 허용선으로 자주 인용
50°0.4818%Rz 없는 AB-1(51°)
60°0.618.8%흔한 설계 목표
65°0.704.7%빠른 정착(약 0.7)
70°0.801.4%AB-1 최종(67.5°) 근처
76°0.990%임계 감쇠, 다소 느림

어림으로는 \(\zeta \approx \text{PM}/100\)(PM 70° 아래)이 쓸 만하다. 실제 OTA는 극점이 둘보다 많고 영점도 있어 표와 몇 % 어긋난다. 그래서 마지막에는 늘 과도 해석으로 확인한다.

이득 여유는 왜 따로 보나 PM이 충분해도 \(f_{180}\)에서 \(|L|\)이 1에 가까우면 공정·온도 변화로 이득이 몇 dB만 올라가도 발진한다. 보통 GM은 10 dB 이상을 요구한다. 극점 둘짜리 루프는 위상이 −180°에 닿지 않아 GM이 무한대지만, 세 번째 극점(위의 p3)이나 우반면 영점이 생기면 유한해진다.

나이퀴스트 선도와 −1 점

보드 선도는 크기와 위상을 두 장에 나눠 그린다. 나이퀴스트 선도(Nyquist plot)는 주파수를 0에서 ∞까지 올리며 \(L(j\omega)\)의 실수부와 허수부를 한 평면 위에 찍는다. 이 그림에서 안정도 판정은 한 문장이다. 궤적이 −1 점을 감싸지 않으면 폐루프는 안정하다(개루프가 안정할 때).

PM과 GM도 이 평면에서 바로 보인다. 단위원(\(|L| = 1\))과 궤적이 만나는 점이 −1에서 원호를 따라 몇 도 떨어져 있는지가 PM이고, 궤적이 음의 실수축을 지나는 점 \(-1/\text{GM}\)이 −1에서 얼마나 안쪽인지가 GM이다. 아래에서 루프 이득 K를 올려 궤적을 −1 쪽으로 부풀려 보라.

SIMULATOR

궤적이 −1을 감싸면 발산한다

궤적 위에 마우스를 올리면 주파수
L(jω), ω: 0 → ∞음의 주파수(대칭)PM 원호−1 점
PM—
GM (f180)—
실수축 교차점—
폐루프—
해볼 것: ① K를 올리면 궤적 전체가 비례해서 커지고, 실수축 교차점이 −1 쪽으로 다가간다(GM 감소). ② K ≈ 28.7 dB에서 교차점이 −1에 닿고, 그 위에서는 −1을 감싸 계단 응답이 발산한다. ③ 세 번째 극점을 끄면 위상이 −180°에 닿지 않아 궤적이 음의 실수축을 지나지 않는다. K를 아무리 올려도 감싸지 않는다(PM은 줄어든다). (L(s) = K/[(1+s/ω1)(1+s/ω2)(1+s/ω3)], f1 = 1 MHz, f2 = 4 MHz, f3 = 16 MHz, β = 1. 계단 응답은 AN.response.)

궤적과 −1 사이 최소 거리의 역수 \(1/\min|1+L|\)는 감도 함수 \(S=1/(1+L)\)의 최대 크기 \(M_s\)다. 단위 귀환의 출력 전달함수는 \(T=L/(1+L)\)이므로 출력 이득 피킹은 분자까지 포함해 따로 계산한다. 그래서 나이퀴스트 선도는 PM·GM 두 숫자가 놓치는 "그 사이 주파수"의 위험까지 보여 준다. 실무에서는 보드 선도로 설계하고, 극점·영점이 얽혀 판단이 애매할 때 나이퀴스트로 확인한다.

밀러 보상: 극점 분리

7장에서 본 대로 보상 없는 AB-1 OTA는 두 고임피던스 마디(1단 출력 y, 2단 출력 out)의 극점이 수 MHz 근처에 붙어 있어 PM이 음수다. 해결책은 두 극점을 떼어 놓는 것이다. 하나는 아주 낮게 내려 지배 극점(Dominant pole)으로 만들고, 다른 하나는 단위 이득 주파수보다 높이 올린다. 2단 사이에 거는 밀러 커패시터 \(C_c\)가 이 두 일을 동시에 한다.

gm1vin R1 C1 vy Rz Cc gm6vy R2 C2(≈CL) vout 앞먹임 전류vy/(Rz + 1/sCc) 1단: R₁ ≈ 608 kΩ (ro2∥ro4), gm1 ≈ 169 µS 2단: R₂ ≈ 50 kΩ, gm6 ≈ 761 µS
그림 10-1. 밀러 보상 2단 OTA의 소신호 모델. 1단은 전류 \(g_{m1}v_{in}\)을 마디 y의 \(R_1\parallel C_1\)에, 2단은 \(g_{m6}v_y\)를 출력의 \(R_2\parallel C_2\)에 넣는다. 두 마디를 잇는 \(C_c\)(와 직렬 \(R_z\))가 극점을 갈라 놓는다. 동시에 \(C_c\)를 통해 출력으로 곧장 넘어가는 앞먹임 전류(빨강)가 \(g_{m6}v_y\)와 반대 방향이어서 영점을 만든다.

그림의 회로를 풀면 분모는 2차식이고, 두 극점이 멀리 떨어져 있다고 가정하면 각각을 따로 쓸 수 있다. \(C_c\)는 1단 출력에서 밀러 효과로 \(C_c(1 + g_{m6}R_2)\) ≈ 39 \(C_c\)처럼 보여 \(p_1\)을 끌어내린다. 높은 주파수에서는 \(C_c\)가 M6의 게이트와 드레인을 묶어 M6을 다이오드처럼 만들므로 출력 저항이 \(1/g_{m6}\)로 떨어지고 \(p_2\)가 올라간다.

$$f_{p1} \approx \frac{1}{2\pi\, g_{m6}R_1R_2\,C_c},\qquad f_{p2} \approx \frac{g_{m6}C_c}{2\pi\,[C_1C_2 + C_c(C_1+C_2)]} \xrightarrow{C_c \gg C_1} \frac{g_{m6}}{2\pi(C_1 + C_2)} \approx \frac{g_{m6}}{2\pi C_L},\qquad f_u \approx \frac{g_{m1}}{2\pi C_c}$$
\(C_c\) = 1 pF: \(f_{p1}\) ≈ 1/(2π · 761 µS · 608 kΩ · 50 kΩ · 1 pF) ≈ 6.9 kHz. \(f_{p2}\) ≈ 761 µS/(2π · 2.4 pF) ≈ 50 MHz(\(g_{m6}/2\pi C_L\)로는 61 MHz). \(f_u\) ≈ 169 µS/(2π · 1 pF) ≈ 27 MHz(엔진 23.5 MHz). PM에 중요한 비는 \(f_{p2}/f_u \approx (g_{m6}/g_{m1})(C_c/C_L)\) ≈ 4.5 × 0.5 ≈ 2.2다.

아래 시뮬레이터는 가로축이 s 평면의 실수축(로그 눈금, 왼쪽이 좌반면), 세로축이 \(C_c\)다. 각 \(C_c\)에서 극점 두 개와 (\(R_z\) = 0일 때의) 영점이 어디 있는지 한 줄씩 찍었으므로, 위아래로 끌면 극점이 갈라지는 자취(근궤적)를 따라 움직인다.

SIMULATOR

Cc를 키우면 두 극점이 갈라진다

위쪽 자취 그림을 위아래로 끌어 Cc를 바꾼다
극점 p₁, p₂ (2차 모델)우반면 영점 gm6/Cc현재 Cc의 엔진 보드
Cc—
p₁ 손 / 모델—
p₂ 손 gm6/2π(C₁+C₂) / 모델—
fu 손 / 엔진—
PM (엔진, Rz = 0)—
해볼 것: ① Cc를 1 fF 근처로 내리면 p₁과 p₂가 수 MHz에 붙고 PM이 음수다(7장의 상태). ② Cc를 0.1 pF → 1 pF로 올리면 p₁은 원점 쪽으로 한 자릿수 내려가고 p₂는 gm6/(C₁+C₂) ≈ 50 MHz 근처에서 멈춘다. 더 키워도 p₂는 더 오르지 않는다. ③ 대신 fu ≈ gm1/(2πCc)는 계속 내려가므로 PM은 좋아지지만 속도를 잃는다. ④ 빨간 우반면 영점 gm6/(2πCc)도 Cc를 키울수록 내려와 위상을 깎는다. (극점은 엔진 동작점에서 뽑은 R₁, C₁, R₂, C₂, gm6로 푼 2차 분모의 근. 보드는 AN.ota2Open(Rz = 0)의 AC 해석. 흐린 곡선은 Cc = 0.1, 0.3, 1, 3 pF.)

결론은 두 개의 비율이다. \(f_{p2}\)는 \(g_{m6}/C_L\)에서 막히고, \(f_u\)는 \(g_{m1}/C_c\)로 내려간다. PM 60° 근처를 얻으려면 대략 \(f_{p2} \ge 2.2 f_u\), 즉 \(C_c \ge 2.2\,(g_{m1}/g_{m6})\,C_L\)가 필요하다. AB-1에서는 \(C_c \ge\) 약 1 pF다. 2단의 \(g_{m6}\)를 크게(전류를 많이) 잡는 이유가 여기 있다.

우반면 영점과 영점 저항 Rz

극점 분리만으로는 끝나지 않는다. 그림 10-1의 빨간 경로를 보자. 신호는 M6을 지나 출력으로 가는 길(이득 \(-g_{m6}\), 반전)과 \(C_c\)를 지나 곧장 가는 길(비반전) 두 갈래로 간다. 분자의 두 경로는 \(-g_{m6}+sC_c\)로 합쳐지며 복소 주파수 \(s=+g_{m6}/C_c\)에서 상쇄된다. 실제 사인파 응답 \(s=j\omega\)에서는 두 성분이 직교하므로 \(\omega=g_{m6}/C_c\)에서도 출력이 0이 되는 노치는 생기지 않는다. 이 양의 실수축 영점이 우반면 영점(Right-half-plane zero)이다.

$$z = \frac{1}{C_c\,(1/g_{m6} - R_z)},\qquad R_z = 0:\ f_z = \frac{g_{m6}}{2\pi C_c} \approx \frac{761\ \mu\text{S}}{2\pi \cdot 1\ \text{pF}} \approx 121\ \text{MHz}$$
z > 0이면 우반면. 우반면 영점은 좌반면 영점처럼 크기를 +20 dB/dec 올리면서(이득이 늦게 떨어진다) 위상은 −90°까지 늦춘다. \(f_u\) ≈ 23.5 MHz에서 \(-\arctan(23.5/121)\) ≈ −11°의 위상을 빼앗는다. Rz = 1/gm6 ≈ 1.31 kΩ이면 영점이 무한대로 가고, 그보다 크면 좌반면으로 넘어와 위상을 오히려 앞당긴다. 대가로 마디 y에 새 극점 \(p_3 \approx 1/(2\pi R_zC_1)\)이 생긴다.

직렬 저항 \(R_z\)는 \(C_c\)를 지나는 앞먹임 전류를 \(v_y/(R_z + 1/sC_c)\)로 바꾼다. 영점 조건 \(g_{m6} = 1/(R_z + 1/sC_c)\)를 풀면 위 식이 나온다. 아래에서 \(R_z\)를 위로 끌어 올리면서 빨간 영점이 오른쪽 끝(+∞)으로 사라졌다가 왼쪽 끝(−∞)에서 다시 들어오는 모습을 보라.

SIMULATOR

Rz로 영점을 무한대 너머 좌반면으로 옮긴다

자취 그림이나 PM 곡선 위를 끌어 Rz를 바꾼다
p₁, p₂새 극점 p₃ = 1/RzC₁영점 z엔진 (현재 Rz)
Rz—
영점 z—
p₃—
fu / PM (엔진)—
해볼 것: ① Rz = 0에서 영점은 우반면 약 121 MHz, PM ≈ 51°다. ② Rz를 1/gm6 ≈ 1.31 kΩ에 맞추면 영점이 사라지고(∞), Rz = 1 kΩ에서 PM ≈ 60°, 2 kΩ에서 ≈ 68°다. ③ 약 4 kΩ에서 좌반면 영점이 p₂ 위에 겹친다(극점·영점 상쇄). ④ 더 키우면 영점이 fu 아래로 내려와 이득 곡선을 들어 올리고 fu가 튀어 오른다. 그 사이 p₃가 다가와 결국 다시 위험해진다. 공정·온도에 따라 gm6와 Rz가 따로 움직이므로 상쇄점에 딱 맞추기보다 여유를 둔 값(AB-1은 2 kΩ)을 쓴다. (Cc = 1 pF, CL = 2 pF. 자취는 2차 모델 + z, p₃ 식, PM 곡선과 보드는 AN.ota2Open.)

\(R_z\)를 쓰는 대신 영점의 원인인 앞먹임 경로 자체를 끊는 방법도 있다. \(C_c\)와 출력 사이에 단위 이득 버퍼(소스 팔로워)를 넣거나, 1단 캐스코드의 저임피던스 마디로 \(C_c\) 전류를 되돌리는 방법이다. 뒤의 "다른 보상" 상자에서 다시 짚는다.

Rz는 gm6를 따라가지 않는다 폴리 저항 \(R_z\)와 M6의 \(1/g_{m6}\)는 공정 모서리와 온도에 따라 서로 다르게 움직인다. 정밀한 설계에서는 \(R_z\) 자리에 선형 영역 MOSFET을 두고 게이트를 M6과 같은 조건의 복제 소자로 바이어스해 \(R_z \approx 1/g_{m6}\)를 추적하게 만든다.

부하 커패시터가 PM을 무너뜨린다

보상은 부하 \(C_L\)을 가정하고 맞춘다. \(f_{p2} \approx g_{m6}/(2\pi C_L)\)이므로 \(C_L\)이 커지면 \(p_2\)가 내려오고, \(f_u \approx g_{m1}/(2\pi C_c)\)는 거의 그대로여서 둘의 비 \(f_{p2}/f_u\)가 줄어든다. 스위치드 커패시터 회로나 ADC 구동처럼 OTA가 큰 커패시터를 몰아야 하는 자리에서는 이것이 가장 흔한 사고다. 아래 곡선의 점을 끌어 \(C_L\)을 바꿔 보라.

SIMULATOR

CL을 2 pF에서 20 pF로 늘리면

위쪽 곡선 위를 좌우로 끌어 CL을 바꾼다
CL—
PM / GBW (엔진)—
버퍼 오버슈트—
1% 정착 시간—
해볼 것: ① AB-1 보상에서 CL 2 pF → 5 pF로 늘리면 PM이 68° → 50°로 떨어지고 오버슈트가 2%에서 14%로 늘어난다. ② 20 pF에서는 PM이 30° 아래이고 버퍼가 오래 울린다. ③ Rz = 0이면 같은 CL에서 늘 십몇 도 더 나쁘다. ④ Cc를 2 pF로 키우면 PM은 버티지만 GBW가 절반 가까이 준다. 큰 부하를 몰아야 한다면 gm6(2단 전류)를 키우는 것이 정공법이다. (곡선은 CL 9점에서 AN.ota2Open의 PM. 스코프는 AN.ota2 버퍼에 0.85 → 0.95 V 계단을 넣은 과도 해석.)

곡선이 보여 주듯 \(C_L\)이 열 배가 되면 PM은 40° 가까이 떨어진다. 그래서 OTA 사양서에는 "PM ≥ 60° @ \(C_L\) = 2 pF"처럼 부하 조건이 항상 붙는다. 이 조건 밖에서 쓰면 사양은 아무 의미가 없다.

AB-1 보상 실험실

이제 세 손잡이를 한꺼번에 쥔다. \(C_c\)는 지배 극점과 GBW를, \(R_z\)는 영점 위치를, \(C_L\)은 \(p_2\)를 정한다. 위쪽 회로도는 2단과 보상망이고, 오른쪽 스코프는 OTA를 단위 이득 버퍼로 묶고 0.85 V → 0.95 V 계단을 넣은 엔진 과도 해석이다. 목표는 AB-1 사양 PM ≥ 60°, GBW ≥ 20 MHz(\(C_L\) = 2 pF)다.

SIMULATOR

AB-1 OTA 보상 실험실: Cc · Rz · CL

직류 이득—
GBW (fu)—
PM—
GM—
오버슈트 / 1% 정착—
영점 z—
해볼 것: ① "AB-1 기본"(1 pF, 2 kΩ, 2 pF)에서 PM ≈ 68°, 오버슈트 약 2%. ② "Rz 0"으로 영점을 우반면에 두면 PM ≈ 51°, 오버슈트 약 13%. ③ "Cc 0.6 pF·Rz 0"은 GBW가 35 MHz로 빨라지지만 PM ≈ 40°로 울린다. ④ Rz 0에서 Cc를 0.2 pF, CL을 20 pF까지 밀면 PM이 10° 아래로 떨어져 버퍼가 발진 직전까지 오래 울린다. ⑤ Rz를 6 kΩ까지 올리면 좌반면 영점이 fu를 끌어올려 PM이 오히려 이상하게 보인다. 보드 선도만 믿지 말고 스코프를 보라. (엔진: AN.ota2Open으로 출력이 0.9 V가 되게 오프셋을 맞춘 개루프 AC 해석, 버퍼는 AN.ota2 "follower" 과도 해석 600 ns, 1 ns 간격. 흐린 점선은 직전 실행.)

실험실에서 얻는 감각은 이렇다. \(R_z\)는 전력도 면적도 거의 들지 않으면서 PM을 15° 이상 사 오는 가장 싼 손잡이다. \(C_c\)를 줄이면 빠르지만 울리고, 키우면 안정하지만 GBW와 슬루율(꼬리 전류/\(C_c\))을 잃는다. \(C_L\)은 설계자가 고를 수 없는 경우가 많으므로, 최악의 부하에서 PM을 확인해야 한다.

루프 이득을 재는 법, 그리고 다른 보상

지금까지는 개루프 OTA의 이득을 보고 루프 이득이라 불렀다. 그런데 이득 4,000배짜리 증폭기의 루프를 끊으면 입력 오프셋 1 mV가 출력에서 4 V가 되어 출력이 전원 레일에 붙는다. 엔진의 AN.ota2Open은 이분법으로 입력 오프셋을 맞춰 이 문제를 피했지만, 실제 회로나 큰 시스템 시뮬레이션에서는 그럴 수 없다. 미들브룩 주입법(Middlebrook's method)은 루프를 끊지 않는다. 루프 안의 한 지점에 작은 AC 전압원 \(v_t\)를 직렬로 넣고, 그 양쪽 전압의 비로 루프 이득을 읽는다.

−+OTA CL vt (AC 1, 직류 0) VCM 0.9 V vxvy T(jω) = −vy / vx 고임피던스(게이트)를 모는 저임피던스(출력) 바로 뒤에 넣는다
그림 10-2. 미들브룩 전압 주입. 출력과 반전 입력 사이에 작은 AC 전압원 \(v_t\)를 넣는다. 직류에서 \(v_t\) = 0이므로 루프는 닫혀 있고 동작점은 정상이다. AC에서는 \(v_x\)(증폭기로 들어가는 쪽)와 \(v_y\)(되돌아오는 쪽)의 비가 루프 이득이다. 주입점의 앞쪽 임피던스가 뒤쪽 입력 임피던스보다 훨씬 작으면 오차가 거의 없다.

아래 시뮬레이터에서 입력 오프셋(소자 부정합의 흉내)을 넣고 세 가지 방법을 비교해 보라. 루프를 그냥 끊으면 오프셋 1 mV만으로 출력이 레일로 가서 M6이나 M7이 선형 영역에 빠지고, 엉뚱한 이득과 PM이 나온다. 미들브룩 주입은 오프셋과 무관하게 같은 곡선을 준다.

SIMULATOR

루프를 끊지 않고 루프 이득 재기

선택한 방법기준(미들브룩, Vos = 0)
출력 직류 전압—
직류 루프 이득—
fu / PM—
판정—
해볼 것: ① 미들브룩 주입에서 Vos를 −3 ~ +3 mV로 움직여도 출력은 0.9 V 근처, 곡선은 기준과 겹친다(PM ≈ 67.5°). ② "루프 끊기"로 바꾸면 Vos = 0에서도 시스템적 오프셋 때문에 출력이 1.1 V로 벗어나고, ±1 mV면 레일에 붙어 직류 이득이 크게 무너진다. ③ "개루프(오프셋 맞춤)"는 엔진이 입력을 이분법으로 조정해 기준과 거의 같은 곡선을 준다. 실제 실험실에서는 이 조정이 불가능하다. (미들브룩: AB-1 OTA를 단위 이득 버퍼로 묶고 출력과 반전 입력 사이에 AC 전압원을 넣은 AN.circuit, T = −vout/vinn. 수백 MHz 위에서 곡선이 다시 올라가는 것은 주입점 뒤의 Cgs가 더는 고임피던스가 아니어서 생기는 전압 주입만의 오차다.)

엔진으로 재면 미들브룩 주입의 PM은 67.5°로 오프셋을 맞춘 개루프 값과 0.1° 안에서 일치한다. SPICE의 루프 이득 해석(stb 같은 기능)도 같은 생각으로, 전압 주입과 전류 주입을 함께 써서 양방향 부하 효과까지 지운다.

다른 보상 맛보기 밀러 보상 + \(R_z\)가 2단 OTA의 표준이지만 유일한 방법은 아니다. 간접 보상(Ahuja 보상)은 \(C_c\)의 전류를 1단 캐스코드 소자의 소스(저임피던스 마디)로 되돌려 앞먹임 경로를 없앤다. 우반면 영점이 사라지고 \(p_2\)가 더 높이 올라가 같은 전력에서 GBW를 더 얻는다. 단일단 OTA(폴디드 캐스코드, 9장)는 고임피던스 마디가 출력 하나뿐이어서 부하 \(C_L\) 자체가 보상 커패시터가 된다. \(C_L\)이 클수록 오히려 안정해진다. 3단 이상에서는 중첩 밀러 보상(NMC)으로 커패시터를 여러 겹 건다. 레귤레이터 루프(14장)와 PLL 루프(18장)도 같은 PM 언어로 보상한다.
TARGET AB-1타깃 파일 · 10장

Rz = 2 kΩ로 우반면 영점을 옮겨 PM 67.5°, 버퍼 오버슈트 약 2%

9장 설계(\(C_c\) = 1 pF, \(R_z\) = 0)는 PM 약 51°로 사양 60°에 못 미쳤다. 원인은 우반면 영점 \(g_{m6}/2\pi C_c\) ≈ 121 MHz가 \(f_u\)에서 약 11°를 빼앗는 것이다. 엔진(AN.ota2Open)으로 \(R_z\)를 훑으면 1 kΩ에서 PM 59.4°, 1/gm6 ≈ 1.31 kΩ에서 영점이 무한대로 가고, 2 kΩ에서 영점이 좌반면 약 232 MHz로 넘어와 PM 67.5°, GM 52 dB, GBW 23.5 MHz가 된다. 단위 이득 버퍼에 0.1 V 계단을 넣은 과도 해석에서 오버슈트는 약 2.4%, 1% 정착은 약 30 ns다(Rz = 0이면 13%). 반대로 \(R_z\) = 0에서 \(C_c\)를 0.6 pF로 줄이면 GBW는 35 MHz로 빨라지지만 PM 약 40°, 오버슈트 약 25%로 울린다. 부하가 \(C_L\) = 5 pF로 늘면 기본 보상에서도 PM 약 50°(오버슈트 약 14%), 20 pF면 약 28°로 무너진다.

이 장에서 정한 것Cc = 1 pF, Rz = 2 kΩ(1/gm6의 약 1.5배, 공정 변동 여유). PM 67.5° ≥ 60°, GBW 23.5 MHz ≥ 20 MHz. 사양은 CL ≤ 약 3 pF에서만 성립한다.
아직 남은 문제이 OTA가 만드는 잡음과 오프셋은 아직 따지지 않았다. 10 kHz 센서 대역에서 입력 환산 잡음은 얼마인가?
다음 단계11장에서 같은 OTA의 열잡음·1/f 잡음을 엔진으로 계산한다. 큰 샘플링 커패시터를 모는 경우의 PM과 정착은 15장에서 다시 본다.

핵심 정리

  1. 루프 이득 L의 위상 지연이 180°가 되면 음의 피드백이 양의 피드백이 된다. 그 주파수에서 |L| ≥ 1이면 발진한다(바크하우젠 조건 L = −1).
  2. 위상 여유는 fu에서 180°까지 남은 위상, 이득 여유는 f180에서 0 dB까지 남은 이득이다. 극점 둘짜리 루프에서 PM 45° ≈ 오버슈트 23%, 60° ≈ 9%, 76° ≈ 0%.
  3. 개루프가 안정하고 허수축 극점이 없을 때, 완전 나이퀴스트 궤적이 −1을 감싸지 않고 지나지도 않으면 폐루프가 안정하다. 일반적으로는 개루프 우반면 극점 수 P와 −1의 반시계 방향 감쌈 수 N으로 폐루프 우반면 극점 수 Z = P − N을 판정한다. −1까지의 최소 거리의 역수는 감도 함수의 최대 크기 Mₛ다.
  4. 밀러 커패시터 Cc는 p1 ≈ 1/(2πgm6R1R2Cc)를 내리고 p2 ≈ gm6/(2πCL)로 올린다(극점 분리). fu ≈ gm1/(2πCc).
  5. Cc의 앞먹임 경로는 우반면 영점 gm6/(2πCc)를 만든다. Rz = 1/gm6면 영점이 ∞로, 더 크면 좌반면으로 간다. AB-1: Rz 0 → 51°, 1 kΩ → 60°, 2 kΩ → 68°.
  6. CL이 커지면 p2가 내려와 PM이 무너진다(AB-1: 2 pF 68° → 5 pF 50° → 20 pF 28°). PM 사양에는 늘 부하 조건이 붙는다.
  7. 미들브룩 주입은 루프를 직류로 닫아 둔 채 AC 루프 이득을 잰다. 고이득 루프를 끊으면 오프셋 때문에 동작점이 무너진다.

확인 퀴즈

1. 극점 둘짜리 루프를 단위 귀환으로 닫았더니 위상 여유가 45°였다. 계단 응답의 오버슈트에 가장 가까운 것은?

PM 45°는 감쇠비 ζ ≈ 0.42에 해당하고(AN.pmToZeta), 오버슈트는 exp(−πζ/√(1−ζ²)) ≈ 0.23이다. PM 60°면 약 9%, 76°면 0%다.

2. AB-1 OTA의 2단 gm6 ≈ 761 µS다. 밀러 보상의 우반면 영점을 무한대로 보내려면 Cc와 직렬로 넣는 Rz는 약 얼마여야 하나?

z = 1/[Cc(1/gm6 − Rz)]이므로 Rz = 1/gm6 = 1/761 µS ≈ 1.31 kΩ에서 영점이 무한대로 간다. AB-1은 공정 변동 여유를 두고 2 kΩ를 써서 영점을 좌반면(약 232 MHz)으로 넘긴다.

3. 2단 밀러 OTA에서 Cc를 두 배로 키웠다(Rz = 0). 맞는 설명은?

p1 ≈ 1/(2πgm6R1R2Cc)와 fu ≈ gm1/(2πCc), 영점 gm6/(2πCc)는 Cc에 반비례한다. p2는 Cc ≫ C1이면 gm6/(2π(C1+C2))에서 포화한다. fp2/fu가 커지므로 PM은 좋아지고 속도를 잃는다(엔진: 2 pF에서 GBW 12.6 MHz, PM 81°, Rz 2 kΩ 기준).

4. 나이퀴스트 선도에서 궤적이 음의 실수축을 −0.25에서 지난다(개루프는 안정). 이 루프에 대한 설명으로 맞는 것은?

f180에서 |L| = 0.25이므로 GM = −20 log100.25 ≈ 12 dB다. 궤적이 −1 안쪽을 지나므로 감싸지 않아 안정하다. 이득이 4배 커지면 교차점이 −1이 된다.

5. AB-1 OTA(Cc 1 pF, Rz 2 kΩ)의 부하가 2 pF에서 5 pF로 늘어 PM이 약 68°에서 50°로 떨어졌다. 가장 직접적인 원인은?

직류 이득은 CL과 무관하고, fu는 Cc가 정한다(엔진에서는 오히려 약간 준다). CL이 2.5배가 되면 p2가 약 2.5배 내려와 fp2/fu가 줄고 PM이 깎인다. gm6를 키우거나 Cc를 키워 되찾는다.