MOSFET Current Mirror 설계 및 시뮬레이션

문서 내 토픽

1. 단일 Current Mirror 설계

N-Type MOSFET 2N7000을 이용하여 10mA의 Reference 전류를 갖는 단일 Current Mirror를 설계한다. Data Sheet에서 VTH=2.1V, VDS=4.5V, ID=600mA를 이용하여 (1/2)kn'(W/L)=104.167[mA/V²]을 계산한다. Saturation 영역에서 동작하기 위해 VGS≥VTH 조건을 만족해야 하며, 출력저항은 RL 변화에 따른 ID 변화로 구한다.
2. Cascode Current Mirror 설계

단일 Current Mirror보다 높은 출력저항을 갖는 Cascode Current Mirror를 설계한다. 4개의 MOSFET을 이용하여 구성하며, 동일하게 10mA의 Reference 전류를 설계한다. M1, M2는 Diode-connected 구성이고 M3, M4는 Cascode 구성으로 배치되어 출력저항 특성을 향상시킨다.
3. MOSFET 특성 및 Saturation 영역

전류원으로 동작하기 위해 MOSFET은 Saturation 영역에서 동작해야 한다. Saturation 영역에서는 ID가 VDS에 거의 무관하게 일정하게 유지되어 이상적인 전류원 특성을 나타낸다. VDS≥VGS-VTH 조건을 만족할 때 Saturation 영역에서 동작한다.
4. PSPICE 시뮬레이션 및 검증

OrCAD를 이용하여 설계한 회로를 PSPICE로 시뮬레이션하여 설계값과 비교 검증한다. Bias Point 분석을 통해 각 노드의 전압과 전류를 측정하고, 단일 Current Mirror와 Cascode Current Mirror의 성능 차이를 확인한다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

1. 주제1 단일 Current Mirror 설계

단일 Current Mirror는 아날로그 회로 설계의 기본 구성 요소로서 매우 중요한 역할을 합니다. 두 개의 동일한 MOSFET을 이용하여 입력 전류를 출력 전류로 복제하는 원리는 간단하지만 강력합니다. 실제 설계에서는 채널 길이 변조 효과와 임계 전압의 불일치로 인한 오차를 고려해야 합니다. 특히 입출력 임피던스 특성과 전류 복제 정확도는 후단 회로의 성능에 직접적인 영향을 미치므로 신중한 설계가 필요합니다. 단순한 구조임에도 불구하고 다양한 응용 분야에서 활용되는 만큼, 기본 원리의 이해와 실제 구현 시 발생하는 비이상적 특성을 보정하는 기술이 중요합니다.
2. 주제2 Cascode Current Mirror 설계

Cascode Current Mirror는 단일 Current Mirror의 한계를 극복하기 위한 우수한 설계 기법입니다. 추가 트랜지스터를 직렬로 연결하여 출력 임피던스를 크게 향상시키고 채널 길이 변조 효과를 감소시킵니다. 이러한 구조는 고이득 증폭기나 정밀한 전류 소스가 필요한 응용에서 매우 효과적입니다. 다만 설계 복잡도가 증가하고 필요한 전원 전압이 높아지는 단점이 있습니다. 바이어싱 조건과 각 트랜지스터의 동작 영역을 정확히 설정하는 것이 성능을 좌우하므로, 설계 단계에서 충분한 마진을 고려한 신중한 접근이 필요합니다.
3. 주제3 MOSFET 특성 및 Saturation 영역

MOSFET의 Saturation 영역은 아날로그 회로 설계에서 가장 중요한 동작 영역입니다. 이 영역에서 드레인 전류는 게이트-소스 전압에만 의존하고 드레인-소스 전압에는 거의 무관하여 전류 소스로 작동합니다. 그러나 실제로는 채널 길이 변조로 인해 드레인 전압에 약간의 의존성이 존재하며, 이는 출력 임피던스를 제한합니다. MOSFET의 임계 전압, 트랜스컨덕턴스, 그리고 Early 전압 등의 파라미터를 정확히 이해하는 것이 정밀한 회로 설계의 기초입니다. 공정 변동과 온도 변화에 따른 특성 변화도 고려하여 견고한 설계를 수행해야 합니다.
4. 주제4 PSPICE 시뮬레이션 및 검증

PSPICE 시뮬레이션은 회로 설계의 검증 단계에서 필수적인 도구입니다. 이론적 계산과 실제 회로 동작 간의 차이를 파악하고 설계 오류를 사전에 발견할 수 있습니다. DC 해석, AC 해석, 과도 응답 분석 등 다양한 시뮬레이션 모드를 통해 회로의 성능을 종합적으로 평가할 수 있습니다. 정확한 MOSFET 모델 선택과 적절한 시뮬레이션 파라미터 설정이 신뢰할 수 있는 결과를 얻기 위해 중요합니다. 시뮬레이션 결과를 바탕으로 설계를 반복적으로 개선하면 최종 제작 단계에서의 실패 위험을 크게 줄일 수 있습니다.

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