[CMOS 아날로그 회로설계 기초] 3. Basic Amplifier

Analog Basic Amplifier

• Transistor : 입력단 전압신호를 비례하는 출력단 전류신호로 변환
  • CS-Amplifier : 위상반전, 입력임피던스 큼
  • CG-Amplifier : 위상 비반전, 입력 임피던스 작음
  • Source Follower(CD-Follower) : 위상 비반전, 증폭도 < 1, buffer 역할
  • Source Degeneration
  • Cascode

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Diode 구조의 CS

• $\frac{V_X}{I_X}=[g_m+g_{mb}]^{-1}||r_o\simeq\frac{1}{g_m}$
• 크기 감소 > 전압강하 증가

전류원 부하가 있는 CS

• Common Source 부하 : $r_o$ 저항 역할
• $A_v=-g_mr_{o1}|r_{o2}$

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Source Degeneration

• 선형성 : 큰 입력을을 왜곡 없이 받아들일 수 있는가의 여부
  • 큰 gain이어도 왜곡 발생시 사용성 x
• degeneration resistor $R_s$의 추가를 이용하여 $R_s$에서 보는 저항 $1/g_m$에 의해 전압 분배
  • $A_V=\frac{R_D}{1/g_m+R_S}$
  • 트랜지스터의 전압 크기는 gate-source간 전압에 의해 결정되므로, 분배된 전압에 의해 큰 신호에 의한 부담이 감소 > 선형성 증가
  • 입력 bias의 변화에 따른 $g_m,\ I_D$의 급격한 변화를 안정화할 수 있음
  • gain의 감소 = bandwidth 증가 = 소자 속도 증가
  • 단점 : 인가되는 전압 감소로 인해 gain 감소

Norton's Theorem

• 모든 회로에는 output resistance가 존재
• 출력단을 short시킨 후 흐르는 전류를 계산하여 transconductance $g_m$ 계산
• 입력을 short시킨 후 출력단 저항을 측정하여 출력저항 계산
  • Gain $A_v=-G_mR_out$

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Source Follower

• Common Source 회로의 경우 출력 임피던스가 크므로 작은 부하의 구동이 어려움
  • Source Follower를 버퍼 역할로 하여 회로 구동
• 아날로그 신호를 유지하면서 bias를 이동(level shift)

Common Gate

• S 입력, D 출력
• 송전선 임피던스에 의한 반사를 방지하기 위한 impedance matching에 활용
  

  

Cascode

• Common Source에서 증폭된 전류를 Common Gate Amp인 Cascode소자로 전달
  • 전달된 전류를 Drain 저항 $R_D$로 전압으로 출력
  • 전류, 크기가 제한되어 있으므로 $g_m$ 조절이 제약(특히 전류에 영향)
  • 출력 저항을 증가시켜 Gain 증폭 가능
• 차폐 특성
  • Current Mirror에 오차 발생시 그에 비례한 오차 발생'
    • Cascode를 이용하여 전류 변화 억제 (shielding)
• Folded Cascode
  • PMOS-NMOS Cascode 전류원을 변형
    

    

  • 기존 P-NMOS 전류원의 경우 입력 bias에 제한
  • 회로를 접은 것처럼 구성하여 전압 범위에 유연성 제공
    

    

  • 전류 사용은 늘어나는 단점