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1. 서론
1.1. 전자회로 실험 프로젝트와 Two Stage Amplifier
Two Stage Amplifier는 2개의 stage로 구성되어 있다. 이 프로젝트에서는 1mV의 input voltage swing을 36mV까지 증폭시키는 것을 목표로 하였다. 첫 번째 stage에서 6mV를 증폭시킨 후 두 번째 stage에서 다시 6mV를 증폭시켜 최종적으로 36mV의 출력을 얻었다. 또한 높은 gain을 얻기 위해 cascode 구조를 사용하였다.
MOSFET를 증폭기로 사용하기 위해서는 MOSFET의 동작모드와 특성을 이해해야 한다. MOSFET은 turn-off, triode region, saturation region의 3가지 동작모드가 있다. Turn-off 모드에서는 Vgs가 0이 되고, Vgs가 Vth보다 커지면 MOSFET이 켜져 동작하게 된다. 그러나 drain과 source 간 전압차에 따라 전류가 변하게 된다. Vds가 Vgs-Vth가 되는 순간 전류는 더 이상 증가하지 않고 일정한 값을 가지게 된다. 그 이후 Vds가 Vgs-Vth보다 크면 saturation 모드로 전환되어 Vds 전압에 상관없이 오직 Vgs 전압에 따라 전류가 변하게 된다. MOSFET을 증폭기로 사용할 때는 반드시 saturation 모드에서 동작해야 한다.
Cascode 구조는 common source stage의 출력에 common gate stage를 연결하는 방식이다. MOSFET의 gain은 주로 gm과 rd의 곱으로 표현되는데, gain을 높이기 위해서는 gm을 높이거나 rd를 높여야 한다. gm은 Id에 비례하므로 전류를 높이는 것은 좋은 방법이 아니다. 따라서 rd를 높이는 것이 gain을 증가시키는 가장 좋은 방법이며, 이를 위해 cascode 구조를 사용하였다. common source stage의 출력이 common gate stage의 gain만큼 증폭되어 보이므로 rd가 크게 증가하게 된다.
1.2. MOSFET의 동작모드와 특성 이해
MOSFET은 Turn-off, Triode region, Saturation region의 3가지 동작모드를 가진다. Turn-off 모드에서 MOSFET은 전류가 흐르지 않는 상태이며, Vgs가 Vth 미만이다. Triode region에서는 Vds 전압 차이에 따라 전류가 변하게 된다. Vds = Vgs - Vth일 때 전류는 더 이상 증가하지 않고 일정한 값을 가지게 되는데, 이를 Saturation region이라 한다. MOSFET을 증폭기로 사용하기 위해서는 반드시 Saturation region에서 동작시켜야 한다.
Saturation region에서 MOSFET의 전류-전압 특성은 전류가 Vgs에 의해 결정되는데, 이를 이용해 증폭기를 구현할 수 있다. 전압 증폭기의 이득은 주로 Gm과 Rd에 비례한다. Gm은 전류원 특성을 강화할 수록 증가하지만 전력 소모도 같이 증가한다. 따라서 이득을 높이는 더 좋은 방법은 Rd를 증가시키는 것이다.
Rd를 증가시키는 대표적인 방법이 Cascode 구조이다. Cascode 증폭기는 Common Source 단과 Common Gate 단이 연결된 구조로, Common Gate 단이 Common Source 단의 출력을 높은 impedance로 보여주어 결과적으로 큰 Rd를 얻을 수 있다. 이를 통해 높은 이득을 얻을 수 있다.
1.3. Cascode 구조의 이점
Cascode 구조의 이점은 다음과 같다.
Mosfet의 gain은 주로 gm(transconductance)과 ro(output impedance)의 곱으로 결정된다. gm을 높이면 전류가 증가하여 전력 소모가 증가하므로 좋은 방법이 아니다. 따라서 ro를 높이는 것이 더 효과적이다. Cascode 구조는 ro를 크게 증가시킬 수 있어 gain을 높일 수 있다. Cascode에서 common source 단계의 출력은 common gate 단계에 의해 증폭되어 보이므로 출력 impedance가 크게 증가한다. 수식으로 나타내면 Rout = (1+gm1*ro1)*(ro2) + ro1 이 되어 매우 큰 저항값을 갖게 된다. 이를 통해 gain을 크게 향상시킬 수 있다. 또...
