5-1. Amplifier의 gain을 늘려야하는 이유

지난 글에서 Amplifier의 gain을 늘리는 방법에 대해 알아보았습니다. Mosfet을 cascode할수도 있고 multi-stage를 사용해서 gain을 늘리는 방법도 있었죠. 아날로그 디자이너는 항상 gain의 amplifier와 싸우게 됩니다. 제한된 power 내에서 원하는 gain spec을 맞춰야하죠. 어플리케이션에 따라 다르겠지만 일반적인 amplifier 설계에 있어서 높은 gain을 원하는 경우가 많습니다. 그렇다면 왜 gain이 높은 amplifier를 필요로 할까요? Amplifier의 gain이 크면 어떤 이점이 있길래 설계자들은 기를 쓰고 높은 gain의 amplifier를 설계할까요? 

 

아날로그 설계자가 설계하는 amplifier는 당연하게도 아날로그 신호를 증폭하는 데 사용합니다. 아날로그 신호가 중요한 어플리케이션으로는 센서, 오디오 등 여러 부분이 있지만 가장 먼저 떠오르는 센서 부분을 보도록 합시다. ECG, PPG 등 여러 바이오 신호를 센싱하는 회로는 아직도 활발하게 연구가 이뤄지고 있는 분야입니다. 사람들의 평균 나이가 늘어나면서 바이오 회로에 대한 관심도가 높아지고 있죠. 이러한 바이오 신호들의 특징 중 하나는 그 신호가 매우 미약하다는 것입니다. 또한 움직이는 모션과의 구분이 아주 중요하다는 거죠. 따라서 이런 작은 신호를 원치않는 노이즈를 빼면서 센싱하기 위해 높은 gain의 amplifier를 필요로 합니다. 결국 작은 아날로그 신호를 큰 신호로 amplify 하여 센싱하기 때문에 높은 gain의 amplifier가 필요하다는 거죠. (물론 이러한 분야에서는 높은 gain도 중요하지만 low-noise로 amplify하는것도 상당히 중요합니다)

 

또한 높은 gain의 amp가 필요한 가장 중요한 이유가 바로 closed-loop에 사용하기 위함입니다. 여러 application에서 높은 gain 보다 정확한 gain을 갖는 amplifier 가 중요합니다. 높은 gain의 amplifier도 중요하지만 amplifier의 gain이 3인지, 8인지, 10인지 모른다면 뒷단의 system에 더 burden이 크게 되죠. 더 넓은 range를 커버해야하니까요. 하지만 amplifier의 gain이 정확하다면 뒷단의 system은 한정된 input이 들어온다고 가정할 수 있기 때문에 설계 burden이 줄어들게 됩니다. 이렇게 정확한 gain을 얻기 위해 많이 사용하는 방식이 바로 closed-loop amplifier인데요. 

이렇게 gain이 높은 amplifier에 Resistor 같은 수동소자를 이용해 negative feedback을 형성해주면 1/beta 로 closed-loop system의 gain이 수렴하게 됩니다. mosfet과 같은 능동 소자보다 저항등의 수동 소자들은 PVT variation을 덜 타기 때문에 이 방식을 사용하면 원하는 gain을 더 정확히 얻어낼 수 있죠. 이러한 closed-loop system은 open-loop gain이 큰 amplifier를 사용할수록 더 1/beta로 gain이 수렴하게 됩니다. Gain이 높기만 하면, 즉 100이든 90이든 간에 gain이 충분히 크다는 전제만 있으면 1/beta에 해당하는 gain을 갖는 system을 설계할 수 있는 것입니다. 따라서 closed loop system에서 더 정확한 gain을 갖기 위해 높은 gain의 amplifier를 사용합니다.

 

이상입니다.