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1. 소신호 드레인 공통 및 게이트 공통 FET 교류증폭기
1.1. 실험 개요
소신호 드레인 공통 및 게이트 공통 FET 교류증폭기 실험의 개요는 다음과 같다.
본 실험에서는 소신호 드레인 공통 및 게이트 공통 FET 교류증폭기의 동작원리를 이해하고, 직류 및 교류 파라미터를 측정하여 실제 이론값과 비교 고찰하며, 교류증폭기의 전압이득에 영향을 미치는 파라미터들에 대해 실험적으로 분석하는 것을 목적으로 한다. 이번 실험에서는 JFET 대신 MOSFET에 대한 원리와 이론 내용을 중점적으로 다루도록 한다.
1.2. 실험원리
1.2.1. MOSFET 요약
MOSFET은 Source와 Drain 사이의 전자 이동 통로인 채널(Channel) 형성을 위해 금속(Metal)의 게이트 전압차를 조절하여 스위치(On/Off) 역할을 수행한다. 이때 게이트 금속에 있는 전자가 하단 기판으로 누설되는 것을 막기 위해 산화물(Oxide) 절연체가 게이트와 기판 사이에 위치해 있다.
증가형 E-MOSFET은 채널이 없는 공백 상태에서 채널을 서서히 증가시켜 전류를 키우는 MOSFET이며, 상대적으로 공핍형보다 저렴하므로 현재 가장 많이 사용되고 있다. 증가형은 게이트 전압을 보다 큰 (+) 전압을 인가하면 채널 영역에 N형 반전층이 형성되어 전류가 흐르게 된다. 증가형 MOSFET의 동작영역은 차단영역, 비포화영역, 포화영역으로 나뉘며 각 영역의 특징은 다음과 같다.
차단 영역: 채널 형성이 없는 공백 상태이므로 게이트-소스 전압의 변화는 의미 없음.
비포화 영역: 드레인-소스 전압 V_ds가 게이트-소스 전압 V_gs보다 작으며, 드레인 전류 I_d는 V_gs에 비례한다.
포화 영역: 드레인-소스 전압 V_ds가 게이트-소스 전압 V_gs와 같아지는 순간 포화영역에 들어서게 되어 드레인 전류 I_d는 더 이상 증가하지 않고 일정한 상태를 유지하게 된다.
1.2.2. 소신호 드레인 공통 MOSFET 교류 증폭기(Cd – AMPLIFIER)
소신호 드레인 공통 MOSFET 교류 증폭기(Cd – AMPLIFIER)는 게이트에 입력이 가해지고, 소스에서 출력을 생성하며, 드레인은 와 연결되어 있다. 이 구조는 BJT의 Emitter Follower와 유사하며 증폭기의 특성 또한 비슷하게 나타난다.
즉, CD 증폭기의 전압이득은 1이어서 게이트 입력전압과 소스 출력전압이 서로 같으며 위상차 또한 동상이다. 이러한 이유로 소스 전압이 입력 전압을 따라간다는 의미를 강조하기 위해 공통 드레인 교류증폭기를 소스 플로어(Source Follower)라고도 부른다.
소스 플로어의 입력 임피던스는 무한대이다. 이는 게이트 입력단자에서 MOSFET 쪽으로 바라보면 게이트와 출력단자 소스는 서로 끊어져 있는 상태이기에 전류가 흐를 수 없기 때문이다.
출력 임피던스 의 경우, 두 가지 경로로 살펴볼 수 있다. 하나는 출력 단자 아래로 바라본 저항 과 위로 바라본 저항 이다. 이 두 저항은 소신호 등가회로에서 병렬을 이루고 있기 때문에 로 표현할 수 있다.
만약 일 때, 출력 임피던스는 과 비교했을 때 매우 작은 값을 가지므로 로 근사할 수 있다.
소스 플로어의 전압이득은 다음과 같이 표현된다. 일 때, 전압이득은 이다. 이는 소스에서 게이트 쪽으로 올려다보면 저항 과 이 보이고, 소스 아래에서 출력단자로 올려다보면 저항 만 보이기 때문이다. 따라서 전압이득은 1에 가깝게 나타난다.
반면 일 때 전압이득은 으로 표현할 수 있다. 이는 과 가 병렬 상태가 되기 때문이다.
결과적으로 소스 플로어는 매우 큰 입력 임피던스와 상대적으로 작은 출력 임피던스를 보이므로 버퍼링 능력을 제공할 수 있다.
1.2.3. 소신호 게이트 공통 MOSFET 교류증폭기(CG – AMPLIFIER)
소신호 게이트 공통 MOSFET 교류증폭기(CG – AMPLIFIER)는 소스에 입력이 가해지고, 드레인에서 출력을 생성하며, 이때 드레인은 전원(VDD)과 연결되어 있다. 이 구조는 BJT의 공통 베이스(CB) 토폴로지와 유사하며 증폭기의 특성 또한 비슷하게 나타난다.
결론부터 말하면, 만약 소스에서의 입력 신호가 작은 값만큼 증가하면, 일정한 전압 상태로 고정되어 있는 게이트 전압 때문에 게이트-소스 전압은 그만큼 감소하게 된다. 게이트-소스 전압이 감소하면 드레인 전류 또한 줄어들게 되고, 드레인 전류의 감소로 인해 드레인 저항에서의 전압강하가 감소하여 출력단자의 전압은 증가하게 된다.
먼저 MOSFET 공통 게이트 교류증폭기의 입출력 임피던스를 살펴보면, 소스 입력단자에서 MOSFET 쪽으로 바라본 입력저항 Rin은 무한대이다. 이어서 출력 임피던스 Rout을 보면, CG 토폴로지의 소신호 등가회로에서...
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