오늘은 MOS differential pair 를 3가지 관점의 분석을 통해 완벽하게 파헤쳐 보도록 하겠습니다. 대부분 common-mode noise 를 없애기 위해 그리고 input dynamic range 를 넓히기 위해 등 다양한 이유로 differential pair 를 사용하는 것은 알고 있지만 이를 정확하게 분석해본 경험은 잘 없을 겁니다. 실제 회로를 설계하는 데는 크게 의미가 없다고 생각하는 분들도 계시겠지만 탄탄하게 기초 지식을 쌓아두면 항상 큰 도움이 됩니다. 3 가지 관점은 Qualitive analysis, Large-signal analysis, Small-signal anlaysis 로 하겠습니다. 분석은 통일성을 위해 모두 위의 똑같은 회로를 가지고 분석하는 걸로 해보죠. 1..

전자회로의 해석에는 다양한 방법이 있습니다. 우선 우리가 amplifier 나 current mirror 등의 블락을 설계하거나 해석할 때 사용하는 small-signal model 이 있죠. Mosfet 이 saturation region 에 있을 때 mosfet은 VCCS (Voltage Controlled Current Source)로 동작하게 되어 Vds에 관계없이 Vgs 에 의해 current 가 바뀌게 됩니다. 이때 output 저항이 일정하다면 결국 input voltage 에 의해 output voltage 가 특정한 gain 값을 갖고 나오게 되죠. 특정 DC 포인트를 잡아서 small-signal parameter를 구한 후, 이 회로의 small-signal model 을 그려서 정량..

Diode 는 회로에서 정류 작용을 합니다. 이 정류 작용 덕분에 다이오드는 현대 전자회로에서도 많은 부분에서 사용되고 있죠. 모두 다 알고 있는 사실이지만 간단하게 짚고 넘어가 봅시다. 다이오드는 일반적으로 pn-diode 혹은 np-diode로 이루어져 있습니다. 이러한 다이오드는 우리가 일반적으로 알 고 있는 수동소자인 저항과는 다르게 전압과 비례하는 전류를 흐르지 않습니다. 오히려 특정 전압 이하로는 Reverse bias 가 흘러 전류를 흘리지 않고, 특정 전압 이상에서는 Forward bias 가 걸려 전류를 흘리게 되죠. 이러한 다이오드의 특성은 일종의 switch 와 같죠. 이러한 특성을 이용해서 회로에서는 많은 유용한 circuit을 만들어 사용합니다. 1. Half-wave & Full..

Noise 란 회로에서 여러가지 이유로 발생하는 unwanted signal 입니다. 주변 signal 에 의한 interference, 이유 모를 white noise 등이 있을 수 있죠. 이러한 noise 때문에 회로에서는 minimum signal level 이 존재합니다. 만약 아무 noise 가 없다면 단 수 uV만으로 signal 을 보내 power 소모를 최소화할 수 있을 겁니다. 하지만 실제로 수 uV의 amplitude를 가진 signal 이 있다면 noise amplitude 와 구분이 되지 않아 유의미하게 전달하는 것이 불가능하죠. Amplifier로 signal 을 amplify 해서 보낼 수 있다고 생각할수도 있지만, amplifier는 signal 뿐만 아니라 noise 까지 a..

MOSFET 이나 amplifier, 회로 분석을 할 때 small-signal model을 그려 분석하는 경우가 많습니다. small-signal model은 회로 분석을 할 때 아주 강력한 도구죠. 사실 small-signal을 완벽히 이해하기 위해서는 linear 영역에 대해 이해를 하고 있어야 합니다. 먼저 small signal model에서 ac ground 에 대해 다뤄보겠습니다. Small signal model 에서 ground 표시가 된 부분은 모두 ac ground 입니다. 여기서 ac ground의 의미는 ac 적으로 어떠한 signal 도 움직이지 않는다는 의미로, 오직 dc 성분만 갖고있다고 가정하는 겁니다. ac 성분이 없기 때문에 ac 성분만 분석하는 small signal ..

어느 공정의 mosfet을 사용하든 공정이 갖는 한계가 존재합니다. 공정에 따른 한계가 존재하지 않는다면 지금처럼 수조원의 돈을 투자해서 나노 공정을 개발할 필요가 없겠죠. 공정에 정해진 한계 중 오늘 다뤄볼 것은 Mosfet의 스피드입니다. 먼저 왜 mosfet의 speed 에 한계가 생기는지 보겠습니다. MOSFET 에는 공정상의 이유로 Gate, drain, source 각각에 parasitic capacitance 가 존재하게 됩니다. DC 적으로 봤을 때는 이러한 parastic capacitance 는 어떠한 영향도 없습니다. 하지만 AC 적으로는 영향을 끼치게 되고 주파수가 높아질수록 그 영향이 더 치명적으로 변합니다. 높은 주파수에서 Cap은 일종의 저항 역할을 하여 우리가 원치 않은 cu..

Amplifier를 설계할 때 가장 많이 사용하는 방식은 바로 common source stage입니다. 어떤 application을 사용하냐에 따라 다르긴 하지만 큰 gain을 얻을 수 있고 input impedance와 output impedance 가 큰 Common source stage는 많은 곳에서 유용한 방법이죠. 이러한 common source stage에서는 source degeneration을 많이 활용하게 됩니다. Source degneration이라고 하면 많이 들어서 익숙하지만 과연 어떤 장점이 있기 때문에 사용하는 걸까요? 우선 common source stage with source degeneration 을 설명하기 위한 간단한 회로 입니다. Rs 라는 저항을 mosfet과 ..

오늘은 다이오드에 대해 간단히 다뤄보겠습니다. 회로 설계 시에 대부분 Mosfet만 사용해서 schematic 을 꾸미고 simulation을 하지만, 실제 chip을 나가기 위해서는 diode와 pn junction 등 소자적 특성과 물리적 특성에 대한 이해도 필수입니다. 먼저 다이오드는 왼쪽과 같이 n형 반도체와 p형 반도체가 이어진 형태입니다. 각각이 어떤 형태여도 상관 없습니다. p 부분이 substrate일 수도 있고 n 부분이 N+일 수도 있습니다. 또한 p 부분이 P+고 n 부분이 N-well일 수도 있습니다. Hole이 더 많은 p형 type과 Electron이 더 많은 n형 type이 맞닿은 부분에는 pn junction이 필연적으로 생성되게 됩니다. 이런 다이오드는 오른쪽과 같이 Cat..

회로 해석을 하는 데 있어서 한 개의 작은 블락은 대신호 모델에서 small signal parameter를 구하는 방법으로 해석할 수 있습니다. 하지만 Transmitter 나 Receiver 그리고 다른 여러 개의 블락이 합쳐진 회로에서는 일일이 하나의 소신호를 구할 수 없습니다. 각 블락의 gain 과 dynamic range 등을 파악하고 이를 제어공학에서 배운 방법을 통해 해석합니다. 하지만 이 제어공학의 전제에는 아주 중요한 전제가 깔려있는데요, 그것은 바로 각 블락이 linear하다는 전제입니다. 그렇다면 Linear하다는 것은 무슨 뜻일까요? 어떤 시스템이 linear 하다는 것은 input 에 따라 output 이 linear 하게 변하는 것을 의미합니다. (a) model 을 보면 in..

5에서 Amplifier 의 gain 을 늘리기 위한 방법으로 multi-stage 를 이용하는 방법과 cascode 방법에 대해 알아보았습니다. 두 방법 다 많이 사용하는 방법이지만, 공정이 미세화되고 supply voltage가 점점 낮아지면서 cascode 방식은 사용하기 어려워지게 됩니다. mosfet을 stack하면 각각의 단이 차지해야하는 saturation voltage가 있는데 이게 아무리 작아도 0.3V 이상은 필요하기 때문이죠.... 4개의 mosfet만 cascode하더라도 1.2V 이상의 supply voltage가 필요합니다. 따라서 자연스럽게 multi-stage 방식을 이용하여 amplifier의 gain을 증가시킵니다. 하지만 전에도 말했듯이 stage 수를 늘려서 gain을..