4. Single-Stage amplifier : Common-source, Common-gate, Source-follower

Amplifier 는 전자회로에서 아날로그 설계자라면 꼭 알아야하는 가장 본질적이면서도 중요한 블락입니다.(디지털 설계자여도 당연히 알아야 합니다. Inverter 또한 본질적으로는 amplifier니까요!) 아날로그 신호든 디지털 신호든 간에 load를 drive하는데 힘이 딸릴 수 있기 때문에 꼭 spec에 맞는 amplifier를 설계할 수 있어야합니다. 그럼 single-stage amplifier 를 이루는 가장 본질적인 세 가지의 구조인 Common-source, Common-gate, Source-follower에 대해 알아보겠습니다.

 

-Common-source

먼저 Common-source 의 경우에는 가장 많은 amplifier에서 사용하는 구조입니다. Input을 gate로 받고 output을 drain으로 뽑는 모든 구조가 본질적으로 common-source이죠.

간단하게 Resistive load가 달린 single-stage common-source amplifier 에 대해 보겠습니다. Input 단자는 gate로 꽂히고 Ouptut 단자는 Mosfet의 drain 과 resistor에 병렬되게 꽂히게 됩니다. 이에 대한 small-signal model 은 다음과 같습니다.

회로를 분석할 때 유용하게 볼 수 있는 방법 중 하나가 각 node가 high resistance node 인지 low resistance node 인지 생각하면서 보는 것입니다. Common-source stage에서는 input 단자가 gate에 꽂히기 때문에 high-resistance 임을 알 수 있고, output 단자도 mosfet의 drain과 resistor의 병렬에 꽂히기 때문에 high-resistance임을 알 수 있습니다. 결국 common-source stage는 high resistive한 input 특성 때문에 앞단에서 쉽게 drive할 수 있습니다. 또한 output 단자의 높은 resistance 특성 때문에 R이 크고, 이로 인해 dominant pole 인 1/RC가 작아 Low-pass filter 특성이 있습니다

이러한 Common-source stage는 첫번째 그림처럼 drain 쪽에 저항이 아닌 active load를 설치할 수도 있습니다. 이 익숙한 그림은 바로 inverter인데요, 이러한 inverter는 NMOS와 PMOS를 둘 다 input mosfet으로 사용해 input range를 극한으로 넓힌 amplifier라고 볼 수 있는거죠! 또한 두번째 그림처럼 input mosfet의 source에 저항이나 current source를 설치할 수도 있는데, 이를 source degeneration이라고 합니다. 이러한 source degeneration을 통해 gain 등을 손해보는 대신 다른 특성에서 이득을 가져갈 수 있죠!

 

-Common-gate

Common-gate 구조는 위에보이는 그림과 같이 input 단자를 source에 그리고 output 단자를 mosfet의 drain에 위치시킨 구조입니다. 여기서 보이는 특성으로는 input 단자가 mosfet의 source에 꽂히기 때문에 low-resistance이고 output단자 쪽은 high-resistance 특성을 보이는 것을 알 수 있네요.

일반적인 다른 common-gate 회로와 small signal model은 다음과 같습니다. 여기서 common gate의 특성 중 하나를 보기 위해 common-gate 의 gain 식을 구해보면

다음과 같이 나오는 것을 알 수 있습니다. Common-source stage와는 다르게 gain의 부호가 양수인 amplifier임을 알 수 있습니다. Gain 공식이 일반적인 common-source 보다 더 복잡하게 나오지만 중요한 건 common-gate stage와 거의 비슷한 크기의 gain을 갖는다는 사실입니다. 단지 common-gate는 body effect 때문에 조금 더 높은 gain을 갖습니다.

 

 

-Source-follower

 

Source-follower의 경우 common-source 다음으로 많이 쓰는 amplifier 형태입니다. 위에 보이는 그림처럼 input은 gate 단자에서 그리고 output은 mosfet의 source에 위치해있죠. 이러한 source-follower 의 가장 큰 특징은 output 단자가 low-resistance 한 특성을 갖고 있다는 점입니다. 기존의 common-source 와 common-gate 의 amplifier의 경우 output 단자가 mosfet의 drain에 위치해있기 때문에 high-resistance 특성을 갖습니다. 하지만 source-follower의 경우에는 output단자가 mosfet의 source에 위치해 있어서 low resistance 특성을 보이죠. 이러한 특성 때문에 dominant pole인 1/RC가 매우 커 더 높은 주파수 특성을 보이는 것을 알 수 있습니다.

대신 source-follower 의 단점으로는 gain이 1보다 더 작습니다. 기존의 교재들을 보면 source-follower의 gain은 일반적으로 1에 근사한다고 설명해놓은 교재들이 많지만, 실제로는 1에 미치지 못하고, 공정이 미세화됨에 따라 이 문제가 더 심각해져 일반적으로는 0.6~0.7 의 gain 도 간신히 달성하는 경우가 많습니다. 따라서 signal 크기를 오히려 깎아먹는 amplifier라는 것이죠. 그러면 이러한 gain을 깎아먹는 source-follower를 왜 사용하는 걸까요? 이는 amplifier 가 high-resistve load만 drive 하는 것이 아닌 low-resistive load 도 drive 해야하기 때문입니다. 즉 source-follower 는 일종의 voltage-buffer로 동작하는 것입니다. Voltage-buffer 로 source-follower를 사용하지 않는다면, common-source 와 common-gate의 높은 gain이 low resistive 한 다음 블락의 input과 병렬이 돼, Output resistance 가 작아지고 결국 gain을 다 깎아먹게 됩니다.... 정말 손해죠. 따라서 common-source, common-gate를 이용해 큰 gain으로 signal 을 amplify 한 후, source-follower 를 삽입해 low-resistive load까지 drive할 수 있는 것입니다.

 

이상입니다.