본문내용
1. MOSFET 소스 팔로어와 MOSFET 다단 증폭기
1.1. 소스 팔로어의 이론 및 특성
소스 팔로어의 이론 및 특성은 다음과 같다.
소스 팔로어는 게이트와 드레인이 서로 연결되어 있는 MOSFET 회로로, 입력 전압이 출력 전압과 거의 동일하게 유지되는 특성을 가진다. 즉, 유효 전압 이득이 1에 가깝다.
소스 팔로어의 이론적인 전압 이득은 1/gm으로 계산된다. 여기서 gm은 트랜지스터의 전압 이득비로, 드레인 전류와 게이트-소스 전압의 비율을 나타낸다. 일반적으로 gm은 작은 값을 가지므로, 소스 팔로어의 전압 이득은 1에 가깝게 된다.
바이어스가 포함된 소스 팔로어의 경우에도, 소신호 등가회로를 이용하면 전압 이득을 쉽게 계산할 수 있다. 소신호 등가회로에서 입력 임피던스는 매우 크고 출력 임피던스는 매우 작기 때문에, 부하의 영향을 거의 받지 않는다. 따라서 소스 팔로어는 입력 임피던스가 높고 출력 임피던스가 낮은 특성을 가지고 있다.
소스 팔로어는 전압 이득이 1에 가깝기 때문에, 선형성이 우수하고 신호 왜곡이 적다. 또한 낮은 출력 임피던스 특성으로 인해 부하의 영향을 거의 받지 않는다. 이러한 특성으로 인해 소스 팔로어는 버퍼 증폭기, 차동 증폭기, 전류 미러 등 다양한 응용 회로에서 사용된다.
1.2. MOSFET 소스 팔로어 실험
1.2.1. DC 시뮬레이션 및 측정
DC 시뮬레이션 및 측정에서는 소스 팔로어 회로의 바이어스 조건을 확인한다"" 구체적으로는 드레인, 소스, 게이트 노드의 전압과 게이트-소스 전압, 드레인-소스 전압, 드레인 전류 등을 측정하여 MOSFET이 안정적으로 포화영역에 바이어스 되어 있음을 확인한다""
Pspice를 통한 시뮬레이션 결과, 드레인 전압은 12V, 소스 전압은 1.829V, 게이트 전압은 4.027V로 나타났다"" 게이트-소스 전압은 2.198V, 드레인-소스 전압은 10.171V, 드레인 전류는 1.830mA로 측정되었다"" 이를 통해 MOSFET이 포화영역에 안정적으로 바이어스 되어 있음을 확인할 수 있다""
보드 회로를 통한 실험에서도 유사한 결과가 측정되었다"" 드레인 전압은 12.20V, 소스 전압은 2.443V, 게이트 전압은 3.924V로 나타났다"" 게이트-소스 전압은 1.491V, 드레인-소스 전압은 9.76V, 드레인 전류는 0.83mA로 측정되었다"" MOSFET의 임계전압(Vt)이 1.4V인 것을 고려했을 때, 게이트-소스 전압이 이를 초과하므로 포화영역에 바이어스 되어 있음을 알 수 있다""
1.2.2. 입출력 신호 분석
MOSFET 소스 팔로어의 입출력 신호 분석은 다음과 같다.
본 실험에서는 MOSFET를 이용한 소스 팔로어 회로에 입력신호로 1 kHz 주파수, 1V 진폭의 정현파를 인가하고, 5ms 동안 시간 영역 시뮬레이션을 수행하여 입출력신호의 전압 파형을 관찰하였다.
그 결과, 입출력 신호의 크기는 각각 2Vpp, 1.884Vpp로 측정되었다. 즉, 입력신호 크기에 비해 출력신호의 진폭이 약 0.942배 정도로 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 소스 팔로어의 이론적인 전압이득이 1/gm으로 근사될 수 있고, 이 값이 작기 때문에 거의 1에 가까운 이득을 보인다는 것과 일치한다.
또한 입출력 신호 간의 위상차를 측정한 결과, 0도의 위상차를 보여 입력신호와 출력신호가 완전히 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 소스 팔로어 회로의 특성상 입력신호를 그대로 팔로우하여 출력하는 것을 의미한다.
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