본문내용
1. MOSFET 바이어스 회로 및 차동 증폭기
1.1. 정전류원 회로
1.1.1. 전류 변화에 따른 바이어스 전압 측정
실험에서는 정전류원 회로에서 전류 변화에 따른 게이트 전압 VbG의 변화를 측정하였다. 정전류원 회로는 MOSFET에 일정한 전류를 공급하는 역할을 하며, 바이어스 회로의 기본 구성요소이다.
실험에서는 MOSFET의 드레인 전압 VX를 6V로 고정하고, 기준 저항 RREF를 50Ω에서 450Ω까지 변화시키면서 기준 전류 IREF를 측정하였다. 그 결과, IREF가 약 20mA가 되는 RREF 값은 200Ω인 것으로 나타났다. 이 때의 게이트 전압 VbG는 1.936V로 측정되었다.
시뮬레이션 결과와 비교해보면, RREF가 200Ω일 때 시뮬레이션에서는 IREF가 22.85mA, VbG가 2.471V로 나타났다. 실험값과 약간의 차이가 있지만, 20mA 부근의 전류와 2V 내외의 게이트 전압이 측정된 것을 확인할 수 있다.
이를 통해 MOSFET 정전류원 회로에서 기준 저항 RREF를 조절하면 원하는 정전류 값을 얻을 수 있으며, 그에 따른 게이트 전압이 결정된다는 것을 알 수 있다. 정전류 회로의 이러한 특성은 MOSFET 바이어스 회로 및 증폭기 설계에 활용될 수 있다.
1.1.2. 전압 변화에 따른 정전류 측정
<전압 변화에 따른 정전류 측정>
정전류원 회로에서 RREF 값을 변화시키며 IREF를 측정한 결과, RREF가 200Ω일 때 IREF가 20mA(±2mA)에 가까운 값을 가짐을 확인하였다. 이는 정전류원 회로가 원하는 전류값을 출력할 수 있도록 설계되었음을 보여준다.
이어서 Vx(drain 전압)를 0V에서 6V까지 변화시키며 ISS를 측정하였다. 시뮬레이션 결과 Vx가 0.7V 이상일 때 ISS가 약 17.65mA로 일정해지는 것으로 나타났다. 반면 실험 결과에서는 Vx가 0.7V 이상이 되어도 ISS가 조금씩 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
이러한 차이는 MOSFET의 채널 길이 변조(Channel Length Modulation) 효과 때문인 것으로 분석된다. 채널 길이 변조 효과는 드레인-소스 전압(VDS)이 증가할수록 채널 길이가 늘어나면서 전류가 증가하는 현상이다. 시뮬레이션에서는 이상적인 상황을 가정하여 이 효과를 고려하지 않았지만, 실제 실험에서는 이 효과로 인해 전류가 조금씩 증가한 것이다.
따라서 정전류원 회로에서 Vx가 0.7V 이상이 되면 ISS가 Vx에 거의 영향을 받지 않는 범위에 있지만, 채널 길이 변조 효과로 인해 ISS가 Vx 증가에 따라 미세하게 증가하게 된다고 볼 수 있다.
1.1.3. 출력 저항 계산
실험 1의 [1.3] 부분에서는 정전류원의 출력 저항을 계산하는 내용이 다루어졌다. 우선 시뮬레이션 결과에서 출력 저항은 무한대(∞)로 나타났지만, 실험 측정 결과에서는 출력 저항이 1250Ω으로 측정되었다.
출력 저항은 MOSFET 정전류원의 중요한 특성 중 하나이다. 이상적인 정전류원의 출력 저항은 무한대이지만, 실제 MOSFET 정전류원에서는 Channel Length Modulation 효과로 인해 유한한 출력 저항을 가진다. Channel Length Modulation 효과는 MOSFET의 채널 길이가 Drain-Source 전압에 따라 변화하는 현상을 의미한다. 이로 인해 출력 저항이 감소하게 된다.
실험에서 Vx = 3V일 때 출력 저항을 측정한 결과 1250Ω으로 나타났다. 이는 시뮬레이션 상의 이상적인 출력 저항과는 차이가 있는데, 이는 실제 MOSFET의 특성이 이상적인 모델링과 다르기 때문이다. 측정된 출력 저항을 통해 MOSFET 정전류원의 실제 동작 특성을 확인할 수 있었다.
1.2. 차동 증폭기 바이어스
1.2.1. 바이어스 조건 확인
차동 증폭기 바이어스 조건을 확인하는 것은 차동 증폭기가 정상적으로 동작하기 위한 필수적인 과정이다. 차동 증폭기의 두 입력 단자(Gate)에 인가되는 바이어스 전압이 적절한 수준인지 확인해야 하며, 이를 통해 차동 증폭기가 포화되지 않고 선형 영역에서 동작할 수 있도록 할 수 있다.
실험에서는 VDD = 6V, Vin = 4V, RREF = 200Ω, RD1 = RD2 = 200Ω의 조건으로 차동 증폭기 회로를 구성하였다. 이 때 IREF가 20mA(±2mA)가 되는지 확인하고 각 노드의 전압을 측정하였다.
측정 결과, IREF = 20.11mA, VD1 = 4.118V, VD2 = 3.995V, VbG = 1.932V, VS = 2.237V로 나타났다. 이는 시뮬레이션 결과와 다소 차이가 있지만, IREF가 20mA에 근접한 값을 보이고 있...
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11