MOSFET Current Mirror 설계 예비보고서

문서 내 토픽

1. 단일 Current Mirror 설계

N-Type MOSFET 2N7000을 이용하여 IREF = 10 mA인 단일 Current Mirror를 설계한다. M1, M2는 동일한 트랜지스터이며 Gate와 Source 단자를 공유한다. Data sheet에서 Vth = 2.1 V, VGS = 2.41 V를 구하고, R1 = 759Ω으로 계산된다. M1이 Saturation 영역에서 동작하기 위한 조건은 VDS ≥ 0.31 V이며, RL의 최대값은 969Ω이다. PSPICE 시뮬레이션 결과 IREF = 10.09 mA, IO = 10.09 mA로 설계 목표를 달성한다.
2. Cascode Current Mirror 설계

4개의 MOSFET을 이용한 Cascode 전류원 설계로 더 높은 출력저항을 얻는다. M2와 M4의 VGS = 2.41 V이고, VD4 = 4.82 V이다. R1 = 518Ω으로 계산되며, 모든 트랜지스터가 Saturation 영역에서 동작해야 한다. PSPICE 시뮬레이션 결과 IREF = 10.25 mA, IO = 10.25 mA, Vo = 4.876 V로 나타난다.
3. MOSFET Saturation 영역 동작

NMOS MOSFET이 Saturation 영역에서 동작하기 위한 조건은 VDS ≥ VGS - Vth를 만족해야 한다. 이 영역에서 Drain 전류는 게이트-소스 전압에만 의존하며 드레인-소스 전압에 거의 무관하다. Current Mirror 설계에서 모든 트랜지스터가 Saturation 영역에서 동작해야 정확한 전류 복사가 가능하다.
4. 전류원의 출력저항 측정

Saturation 영역에서 출력저항 Ro는 Ro ≡ ΔVo/ΔIO로 정의된다. 실험에서 VCC = 10 V로 고정하고 가변저항을 변화시켜 Vo와 IO의 변화량을 측정한다. 이를 통해 ΔVo/ΔIO 식으로 출력저항을 구할 수 있으며, Cascode 구조가 단일 Current Mirror보다 높은 출력저항을 제공한다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

1. 주제1 단일 Current Mirror 설계

단일 Current Mirror는 아날로그 회로 설계의 기본 구성 요소로서 매우 중요합니다. 두 개의 동일한 MOSFET을 이용하여 입력 전류를 출력 전류로 복제하는 방식으로, 간단한 구조에도 불구하고 효과적인 전류 복제가 가능합니다. 다만 채널 길이 변조 효과로 인한 출력저항의 한계와 MOSFET의 임계전압 차이로 인한 오차가 발생할 수 있습니다. 실제 설계에서는 이러한 비이상적 특성을 고려하여 레이아웃 최적화와 바이어싱 조건을 신중하게 설정해야 합니다. 저전력 아날로그 회로에서 효율적인 전류 소스로 활용되며, 기본적이면서도 실용적인 설계 기법입니다.
2. 주제2 Cascode Current Mirror 설계

Cascode Current Mirror는 단일 Current Mirror의 출력저항 한계를 극복하기 위한 개선된 설계 방식입니다. 추가 MOSFET을 직렬로 연결하여 출력저항을 크게 향상시킬 수 있으며, 이는 고이득 아날로그 회로 설계에 필수적입니다. 채널 길이 변조 효과를 효과적으로 억제하여 더 정확한 전류 복제가 가능하고, 고임피던스 노드에서의 성능이 우수합니다. 다만 추가 MOSFET으로 인한 전압 헤드룸 감소와 설계 복잡도 증가가 단점입니다. 현대 아날로그 IC 설계에서 광범위하게 사용되며, 성능과 복잡도의 균형을 잘 맞춘 실용적인 기법입니다.
3. 주제3 MOSFET Saturation 영역 동작

MOSFET의 Saturation 영역은 아날로그 회로 설계에서 가장 중요한 동작 영역입니다. 이 영역에서 드레인 전류는 게이트-소스 전압에만 의존하고 드레인-소스 전압에는 거의 무관하여, 전류원으로서의 특성을 나타냅니다. 채널 길이 변조 효과로 인해 완벽한 전류원은 아니지만, 적절한 바이어싱과 회로 설계를 통해 고임피던스 특성을 활용할 수 있습니다. Saturation 영역의 정확한 이해는 증폭기, 전류원, 비교기 등 다양한 아날로그 회로 설계의 기초가 됩니다. MOSFET의 동작 영역을 정확히 파악하고 설계하는 것이 고성능 아날로그 회로 구현의 핵심입니다.
4. 주제4 전류원의 출력저항 측정

전류원의 출력저항 측정은 회로의 성능을 평가하는 중요한 지표입니다. 이상적인 전류원은 무한대의 출력저항을 가져야 하지만, 실제 회로에서는 채널 길이 변조와 기타 비이상적 특성으로 인해 유한한 출력저항을 갖습니다. 출력저항은 일반적으로 출력 전압 변화에 따른 출력 전류 변화의 비율로 정의되며, 직접 측정이나 소신호 해석을 통해 구할 수 있습니다. 높은 출력저항은 전류원의 성능을 나타내는 중요한 척도로, 아날로그 회로의 이득과 선형성에 직접적인 영향을 미칩니다. 정확한 측정과 분석을 통해 회로 설계를 최적화할 수 있으며, 이는 고성능 아날로그 IC 개발에 필수적입니다.

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