캐스코드 증폭기 및 공통게이트 증폭기 실험

본 내용은 " 실험14_캐스코드증폭기,공통게이트증폭기_예비보고서 " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2025.08.18

문서 내 토픽

• 1. 캐스코드 증폭기

  캐스코드 증폭기는 공통 소오스 증폭기와 공통 게이트 증폭기로 구성된 두 개의 트랜지스터 연결 구조이다. 낮은 출력 저항과 높은 입력 저항의 특징을 가지며, 공통 소오스 증폭기보다 높은 전압 이득을 얻을 수 있어 널리 사용된다. 출력 저항은 R_out = r_o1(g_m2 r_o2)로 표현되며, 전압 이득은 A_v = -g_m1 × (g_m2 r_o2)r_o1이다. 이는 공통 소오스 증폭기보다 g_m2 r_o2배 만큼 증폭된다.

• 2. MOSFET 포화 영역 동작 조건

  캐스코드 증폭기의 트랜지스터 M1과 M2가 모두 포화 영역에서 동작하기 위한 조건이 있다. M1의 포화 조건은 V_b - V_GS2 ≥ V_in - V_th1이고, M2의 포화 조건은 V_out ≥ V_b - V_th2이다. 두 조건을 연립하면 V_out ≥ V_in - V_th1 + V_GS2 - V_th2가 된다. 이 조건들을 만족할 때 캐스코드 증폭기가 정상적으로 동작한다.

• 3. 소신호 등가회로 및 전압 이득

  증폭기의 전압 이득은 A_v = -G_M × R_OUT으로 표현된다. 여기서 G_m은 트랜스 컨덕턴스이다. 소신호 등가회로를 통해 캐스코드 증폭기의 출력 저항을 구할 수 있으며, 이를 이용하여 이론적인 전압 이득을 계산할 수 있다. 실험에서는 PSpice 모의실험을 통해 이론값과 실험값을 비교한다.

• 4. 바이어스 회로 및 DC 동작점

  증폭기의 DC 동작점을 설정하기 위해 바이어스 회로가 필요하다. 실험에서는 V_DD, V_GG, V_b1 등의 전압을 설정하고, 저항값을 조정하여 원하는 DC 출력 전압을 얻는다. 예를 들어 V_o가 5V 또는 6V가 되도록 R_D 값을 결정하고, 각 MOSFET 단자의 전압과 드레인 전류를 측정하여 포화 영역 동작을 확인한다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. 캐스코드 증폭기

  캐스코드 증폭기는 공통소스 증폭기와 공통게이트 증폭기를 직렬로 연결한 구조로, 매우 높은 전압 이득과 우수한 주파수 특성을 제공합니다. 이 구조는 밀러 효과를 감소시켜 입력 임피던스를 개선하고, 출력 임피던스를 증가시켜 전류 소스로서의 특성을 강화합니다. 특히 RF 및 아날로그 집적회로 설계에서 광범위하게 사용되며, 낮은 전력 소비로 높은 성능을 달성할 수 있다는 장점이 있습니다. 다만 두 개의 트랜지스터가 필요하므로 칩 면적이 증가하고 바이어스 회로가 복잡해지는 단점이 있습니다.

• 2. MOSFET 포화 영역 동작 조건

  MOSFET의 포화 영역은 드레인-소스 전압이 게이트-소스 전압에서 임계전압을 뺀 값보다 클 때 발생하는 영역입니다. 이 영역에서 드레인 전류는 게이트-소스 전압에만 의존하고 드레인-소스 전압에는 거의 무관하므로, 전류 소스로서 동작합니다. 포화 영역은 증폭기 설계에서 매우 중요하며, 이 영역에서의 동작으로 높은 전압 이득을 얻을 수 있습니다. 정확한 포화 조건 이해는 회로 설계의 안정성과 성능을 보장하는 데 필수적입니다.

• 3. 소신호 등가회로 및 전압 이득

  소신호 등가회로는 DC 동작점 주변에서 작은 신호 변화에 대한 회로의 선형 응답을 분석하는 도구입니다. MOSFET의 소신호 모델은 상호컨덕턴스 gm, 출력 저항 ro 등의 파라미터로 표현되며, 이를 통해 전압 이득을 계산할 수 있습니다. 공통소스 증폭기의 전압 이득은 -gm(RD||ro)로 표현되며, 부하 저항과 출력 저항의 병렬 조합에 의존합니다. 소신호 분석은 회로의 동작을 정확히 예측하고 설계 최적화를 가능하게 하는 필수적인 방법입니다.

• 4. 바이어스 회로 및 DC 동작점

  바이어스 회로는 MOSFET을 포화 영역에서 안정적으로 동작시키기 위해 적절한 DC 동작점을 설정하는 역할을 합니다. 일반적인 바이어스 방식으로는 저항 분압, 자기 바이어스, 전류 미러 등이 있으며, 각 방식은 온도 안정성과 공정 변동에 대한 견고성이 다릅니다. DC 동작점의 정확한 설정은 증폭기의 선형성, 이득, 출력 스윙 범위를 결정하므로 매우 중요합니다. 특히 집적회로 설계에서는 공정 변동과 온도 변화에 강건한 바이어스 회로 설계가 필수적입니다.