[전자공학 전자회로 2] 캐스코드 증폭기, 전류 미러 회로 어떻게 푸나요?
지난번에 MOSFET가 전자회로에서 스위치나 증폭기로 어떻게 쓰이는지, 그리고 MOSFET 증폭기가 작은 신호를 키워주는 기본적인 역할을 한다는 걸 배웠어요. 오늘은 그 기초 위에서 집적회로(IC) 증폭기가 어떻게 더 발전된 형태로 동작하는지, 그 안에 들어가는 부품들이 어떤 역할을 하는지 좀 더 자세히 살펴볼게요. 이번 자료는 캐스코드 증폭기, 전류 미러, 그리고 전류 소스 같은 개념을 중심으로 IC 증폭기의 설계와 동작 원리를 다루고 있어요.
캐스코드 증폭기: 신호를 더 크게, 더 안정적으로!
캐스코드 증폭기는 지난번에 두 개의 트랜지스터를 쌓아서 신호를 더 크게 만든다고 했죠. 이번 자료를 보면, 캐스코드 구조가 단순히 이득을 높이는 데 그치지 않고 출력 저항을 크게 늘려서 증폭기의 성능을 더 좋게 만든다는 걸 알 수 있어요.
- 어떻게 동작해요?: MOSFET 두 개를 연결해서 하나는 입력 신호를 받고(보통 Common-Source, CS), 다른 하나는 출력 저항을 높여주는 역할(Common-Gate, CG)을 해요. 자료에서 출력 저항 Ro≈(gm2ro2)ro1 R_o \approx (g_{m2} r_{o2}) r_{o1} 로 표현되는데, 이는 일반 CS 증폭기보다 훨씬 큰 값을 가집니다.
진짜 정확하게 이 짤이랑 일치합니다. 캐캐캐캐캐캐스코드 증폭기인 셈이죠.
- 저 녀석이 작은 소리로 말할 때(입력 신호), 확성기(증폭기)가 더 크게 전달하고, 다음 확성기(증폭기)가 그 소리를 더 멀리 퍼지게 도와주는 상황이에요.
- 장점: 더 큰 전압 이득(예: Avo=−(gmro)2 A_{vo} = -(g_m r_o)^2 )과 안정적인 신호를 얻을 수 있어요. 고주파 회로나 정밀한 오디오 장치에 딱 맞죠!
전류 미러: 전류를 똑같이 복사하기
전류 미러는 한쪽 전류를 다른쪽에 똑같이 복사해주는 장치라고 지난번에 설명했는데, 이번 자료에서는 이 전류 미러가 더 정밀하게 동작하도록 설계된 모습도 볼 수 있어요.
- 기본 원리: MOSFET 두 개를 사용해서 한쪽의 전류(참조 전류)를 다른쪽에 그대로 전달해요.
위 전류 식을 살펴보면, W/L의 비율에 따라 전류 이득이 결정된다고 나와요
즉, 트랜지스터의 크기 비율로 전류를 조절할 수 있다는 거예요!
- 예를 들어, 한 사람이 물통에 물을 채우면, 그 물을 똑같은 양으로 다른 물통에 옮기는 과정이에요.
- 전류 미러같은 경우 증폭기에서 일정한 전류를 공급하거나 여러 회로에 같은 전류를 나눠줄 때 쓰여요. 예를 들어, 스마트폰 칩에서 여러 부품에 전류를 안정적으로 공급할 때 유용하죠.
전류 소스와 전류 싱크: 안정적인 흐름의 비밀
전류 소스와 전류 싱크는 회로에 일정한 전류를 공급하거나 흡수해서 증폭기가 안정적으로 동작하게 해줍니다. 이번 자료에서는 MOSFET를 이용한 전류 소스의 설계와 성능도 자세히 다루고 있어요.
이 모든 게 합쳐지면?
이 세 가지 요소가 조화를 이루면서 집적회로 증폭기가 만들어져요:
- 캐스코드 증폭기는 신호를 키우고 안정성을 더해주고,
- 전류 미러는 필요한 전류를 정확히 복사해서 나눠주며,
- 전류 소스/싱크는 회로가 흔들리지 않게 기준을 잡아줍니다.
이런 조합 덕분에 작은 칩 하나로도 스마트폰의 오디오 신호를 키우거나, 무선 통신 신호를 처리하는 강력한 증폭기를 만들 수 있는 거예요!
한 걸음 더: 실제 계산 예시
위와 같은 전류 미러 회로가 있고, 회색 박스와 같은 조건일 때,
값을 찾아봅시다. 답만 적어 놓을테니 과정을 직접 해보세요.
R = 20K ohm
Vo_min = V_OV = 0.3V
delta I_o = 5uA
힌트는 I_REF, V_A를 제대로 구하시면 될겁니다.
마무리하며
오늘은 캐스코드 증폭기, 전류 미러, 전류 소스와 싱크가 집적회로 증폭기에서 어떻게 더 발전된 역할을 하는지 알아봤어요. 이전에 다룬 MOSFET 증폭기에서 한 단계 더 나아가, 이 부품들이 어떻게 합쳐져서 우리 주변의 전자기기를 움직이는지 이해할 수 있었기를 바랍니다. 다음에는 이 구성 요소들이 실제 회로에서 어떻게 조합되는지, 더 구체적인 예시를 들어 설명해볼게요. 궁금한 점 있으면 언제든 댓글 남겨주세요! 감사합니다!