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2020 가을학기 전자회로2 6-1
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8강. 캐스코드를 이용한 집적회로 증폭기 – 전자형 – Tistory
1. 드레인 저항을 가지는 공통소스 증폭기 · 2. 드레인 저항 RD를 정전류원 I로 교체 · 3. 정전류전원을 PMOS 트랜지스터로 교체 · 4. 캐스코드 트랜지스터를 추가하여 완성된 …
Source: e-funny.tistory.com
Date Published: 5/6/2022
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[전자회로] Cascode 증폭기 – 네이버 블로그 – NAVER
전자회로1에서 배운 증폭기에 단자들이 추가된 것이 Cascode이다. . . MOSFET과 BJT를 전류원으로 사용하고 싶다면, 회로의 Rout을 증폭시켜 eal …
Source: blog.naver.com
Date Published: 2/25/2021
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캐스코드 단(Cascode Stage)의 기본 – 정보를 공유하는 학습장
BJT 회로에서는 공통 이미터(CE) 다음에 공통 베이스(CB)를 연결한 형태, MOSFET 회로에서는 공통 소스(CS), 공통 게이트(CG) 증폭기를 연결한 형태를 …
Source: doctorinformationgs.tistory.com
Date Published: 3/29/2021
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캐스코드 증폭기 – [정보통신기술용어해설]
캐스코드 증폭기 ㅇ CS(CE) + CG(CB) – 접지 형식(입출력에 공통 단자)이 다른 두 소신호 증폭기를 조합한 증폭 회로 ㅇ 특징 – 큰 트랜스컨덕턴스 …
Source: www.ktword.co.kr
Date Published: 12/22/2022
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(PDF) Part 4. 고 이득 증폭기 캐스코드 증폭기 | 태호 김
CHAPTER 14 캐스코드 증폭기 전자회로 실험 Part 4. 고 이득 증폭기 전자회로 실험 1/23 1.1 배경 이론 1.2 실험 회로및 Pspice 시뮬레이션 1.3 실험 절차 1.4 고찰 …
Source: www.academia.edu
Date Published: 9/18/2022
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5차시 – 캐스코드 증폭기
캐스코드 증폭기. – CS(CE)+CG(CB) → 큰 trans-conductance, 높은 입력저항, 넓은 대역폭. MOS 캐스코드 in. R = ∞. – 입력저항.
Source: contents.kocw.or.kr
Date Published: 5/21/2022
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단일 트랜지스터 증폭기와 캐스코드증폭기
단일 트랜지스터 증폭기와. 캐스코드증폭기. 4.1 단일 트랜지스터 증폭기 개요 · 291. 4.2 소신호 등가회로 · 299. 4.3 공통소스(common source) 증폭기 · 306.
Source: www.sigmapress.co.kr
Date Published: 7/8/2022
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- Author: Docceptor
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- Date Published: 2021. 1. 2.
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8강. 캐스코드를 이용한 집적회로 증폭기
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이번 포스팅에서는 공통소스 증폭기를 이용하여 집적회로를 설계해보겠습니다. 집적회로에서는 단위 면적당 많은 소자 및 회로들을 설계해야하기때문에 면적을 줄이는 것이 가장 중요합니다. 따라서 캐스코드를 이용하여 면적을 줄일 수 있는 과정을 이 포스팅에서 설명하도록 하겠습니다. 순서는 1번부터 4번과정까지 이어집니다.
1. 드레인 저항을 가지는 공통소스 증폭기
위 회로는 공통소스 저항 R D 를 가지는 공통소스 증폭기입니다. 이를 소신호 등가회로로 바꾸고 전압이득을 구해보겠습니다.
2. 드레인 저항 R D 를 정전류원 I로 교체
저항소자는 차지하는 면적이 크기 때문에, 집적회로를 효율적으로 설계하기위하여 정전류원으로 대체하여 공통소스 증폭기를 설계하겠습니다. 상대적으로 저항소자보다 면적이 작기 때문에 면적당 많은 소자를 설계할 수 있다는 장점이 있습니다. 그리고 정전류 전원은 매우 높은 저항값을 가지므로 큰 전압이득을 얻는데 유리합니다. 소신호 해석과 전압이득을 살펴보겠습니다.
정전류 전원은 소신호 해석 시 회로를 개방(open)하기 때문에, 소신호 해석은 위처럼 그려집니다. 그리고 전압이득 역시 드레인저항이 있을때보다 증가함을 알 수 있습니다.
3. 정전류전원을 PMOS 트랜지스터로 교체
이번에도 면적을 더 효과적으로 줄이기 위해 정전류전원 I를 PMOS로 교체합니다. 위 회로에서 NMOS 트랜지스터 Q1은 증폭 역할을 하며, PMOS 트랜지스터 Q2는 정전류 전원 역할을 담당합니다. 바로 소신호해석과 전압이득을 구해보겠습니다.
소신호 해석시 V DD 가 단락되어 접지와 연결되기 때문에 트랜지스터 Q2의 출력저항 r o2 는 위 그림과 같이 r o1 과 병렬연결 되어 보입니다. 따라서 전압이득을 구하면 아래와 같습니다.
이때, r o1 과 r o2 가 같다면 전압이득은 아래와 같이 정리할 수 있습니다.
2번의 결과와 비교해보았을 때, 전압이득이 감소되었음을 알 수 있습니다. 이제 다음과정을 통해 감소된 전압이득을 키워보겠습니다.
4. 캐스코드 트랜지스터를 추가하여 완성된 캐스코드 증폭기 설계
위 트랜지스터 Q2와 Q3는 전류버퍼 역할을 담당하는 트랜지스터입니다. 즉, 입력 전류를 출력으로 그대로 전달해주면서 출력저항은 더 증가시켜주는 회로입니다. 나머지 트랜지스터는 마찬가지로 Q1은 증폭 역할, Q4는 정전류원역할입니다.
캐스코드 트랜지스터를 파악하기위해서 아래 표시된 부분을 따로 떼내어 분석하겠습니다.
아래 부분을 떼어내면 아래와 같이 회로가 구성됩니다. 이 회로를 등가회로로 구성하기 위해서 회로의 트랜스컨덕턴스와 출력저항을 구해야만합니다. 아래회로를 소신호 등가회로로 바꾸고 등가 트랜스컨덕턴스, 등가 출력저항을 구해보겠습니다.
[ 등가 트랜스 컨덕턴스 ]먼저 d1 노드에서 식을 세워줍니다.
그리고 d2노드에서 식을 세워줍니다.
이제 식 ①과 ②를 종합하면 아래와 같은 등가 트랜스컨덕턴스를 얻을 수 있습니다.
캐스코드 트랜지스터 Q2는 전체 트랜스컨덕턴스에 영향을 미치지 않음을 확인하였습니다.
[ 등가 출력저항 ]캐스코드 트랜지스터를 추가하면 출력저항이 더 증가된다고 설명드렸습니다. 이제 얼마만큼의 저항이 증가되는지 회로해석을 통해 알아보겠습니다. 출력저항을 구하기위해 입력전압(vi=v gs1 )을 접지시키고 테스트전압을 사용하여 등가저항을 구하겠습니다.
식 ①을 사용하여 전압 v x 식을 아래처럼 표현 할 수 있습니다.
테스트전압과 전류를 알았으니 출력저항을 구해보겠습니다.
위 결과들을 가지고 등가회로를 구성하고 전압이득을 구해보겠습니다.
만약 트랜지스터 Q1과 Q2의 소신호 파라미터가 모두 동일하다면 식은 아래처럼 바꿀 수 있습니다.
이제 다시 돌아와서 캐스코드 증폭기 전체를 해석해보겠습니다.
출력단에서 바라본 저항은 캐스코드 증폭기의 파라미터의 곱 만큼 증가되어 보이는 것을 알 수 있습니다. 그리고 회로 전체의 트랜스컨덕턴스는 g m1 임도 알고있습니다. 위를 이용하여 등가회로를 그리고 전압이득을 구하겠습니다.
모든 트랜지스터가 같은 소신호 파라미터값이 동일하다면 식은 또 아래와같이 정리할 수 있습니다.
캐스코드 트랜지스터를 추가하여 전압이득을 구했더니, 감소된 전압이득을 증가시켰습니다. 이를 이용하면 집적회로 설계에 효율적이며, 전압이득 역시 충분히 큰 값을 얻을 수 있습니다.
이상으로 캐스코드 증폭기 설계에 대한 포스팅을 마치도록하겠습니다.
설계하는 과정을 순서대로 왜 다음단계로 넘어가는지 이해하고 넘어가는 것이 중요합니다.
많이 도움되었으면 합니다 읽어주셔서 감사합니다 🙂
[전자회로] Cascode 증폭기
내부 저항을 갖는 MOSFET, BJT를 추가하면 Rout도 증폭되고, 전압 손해도 없어서 좋다
사실상 교수님이 여기까지 이해하면 Cascode에 대한 내용 다 한 거라고 한다
그래도 이 단원의 남은 내용이 책에 적혀있고, 나름 흥미로워서 보고 가면 좋을 것 같다
캐스코드 단(Cascode Stage)의 기본
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캐스코드.. 너는 어떤 녀석이냐
BJT 회로에서는 공통 이미터(CE) 다음에 공통 베이스(CB)를 연결한 형태, MOSFET 회로에서는 공통 소스(CS), 공통 게이트(CG) 증폭기를 연결한 형태를 캐스코드 증폭기라고 부르게 됩니다.
왜 이런 캐스코드라는 구조를 쓰는지에 대해서는 입출력 저항과 전류 신호의 출력에 대해서 개별의 증폭기를 이해해야 합니다.
(편의상 MOSFET를 기준으로 설명하고, BJT는 부가적인 느낌으로 포스팅합니다)
먼저 공통 소스 증폭기(CS Amp)는 입력 저항이 크고, 출력저항이 입력 저항에 비해 작아서 전류 신호를 출력하기에 적합하고, 입력 저항이 상대적으로 낮은 공통 게이트 증폭기(CG amp)를 연결하여 전류 신호를 출력하기에 유용하면서 전압이득을 크게 출력할 수 있습니다.
캐스코드의 이해
캐스코드.. 에피타이저 소스 또는 이미터 축퇴(Source or Emitter Degeneration) 부터 살펴 보자
사진 1. 축퇴된 BJT, MOS 소자의 출려 저항
기존에 이미터 또는 소스 축퇴(Emitter or Source Degeneration)을 사용하면 출력저항이 Boost되는 것을 배웠다.
식 1 상단 : bjt, 하단 : MOS
식 1을 보게 되면 이미터, 소스에 있는 축퇴 저항으로 인해서 출력 임피던스가 부스팅(boosting, 증가)되는 것을 알 수 있다. 하지만 두 가지의 문제점이 발생하기 되는데
1) 축퇴 저항의 전압 강하로 인한 공급 전압의 문제
축퇴 저항을 사용하게 되면 저항에 대한 전압 강하는 BJT나 MOSFET에 흐르는 전류의 세기에 따라 전압 강하의 양이 다르게 되는데 회로에 공급되는 전압 변화폭 즉 전압 헤드룸이 제한이 되게 됩니다.
사진 2. 두가지 문제점을 설명하는 그림과 식
2) 전압 이득의 감소
축퇴 저항을 사용함으로써 전압이득 분모에서 축퇴 저항의 값 만큼 더해주게 되며 이는 결국 전압이득이 감소하는 결과를 초래합니다.
따라서 이 두 문제를 해결하기 위해서 고안이 된 것이 바로 Cascode stage이다.
문제를 어떻게 해결했을까?
1) 공급 전압 헤드룸문제
전류의 양에 따라 축퇴 저항에 흐르는 전압 강하는 전류의 양에 따라 달라지기 때문에 해당 전압 헤드룸의 문제를 캐스코드에서는 트랜지스터를 쌓아(Stack)올렸기 때문에 해결 할 수 있다.
기존의 축퇴 저항을 가진 트랜지스터와 동일하게 출력 임피던스를 증가(Boost)시킬 수 있다.
아직까지 캐스코드의 구조를 알지 못했지만 사진 3으로 캐스코드의 구조를 알 수 있다. 캐스코드 구조에서 M1은 동작하기 위한 DC 바이어스와 신호를 받는 ac 바이어스 두 가지를 입력으로 받는다.(Vb1 = VDC + vac)
사진 3. 캐스코드의 구조와 출력 임피던스
출력 저항은 아래 식 1과 같이 근사할 수 있다
식 1
축퇴 저항을 가진 트랜지스터와 출력 임피던스는 비슷하나 차이점은 트랜지스터의 출력저항임을 기억하는 것이 좋다.
2) 전압 이득의 문제는 어떻게 해결했을까?
출력 저항이 무한대인 이상적인 전류원이 부하로 사용되고 Gm을 사용해 풀어쓰면 아래 사진 4와 같다.
사진 4
전압이득은 식 2로 표현 가능하다.
식 2
하지만 출력 저항이 무한대인 이상적인 전류원을 사용하는 경우는 불가능하기 때문에 부하에 PMOS를 위에 Stack 하는 구조를 사용하게 되는데 PMOS 하나만 올리게 되면 사진 2의 출력 저항과 PMOS ro의 병렬 저항은 ro가 더 작기 때문에 전압이득인 -gmro가 되어버리는 문제점이 생기게 된다.
따라서 M1과 M2와 사이즈가 동일한 PMOS 2개를 Stack 하여 조합한 캐스코드를 사용하면 출력 저항의 문제를 해결할 수 있다.
사진 5
따라서 사진 5의 전압이득은 아래와 같이 표현 가능하다.
식3
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Part 4. 고 이득 증폭기 캐스코드 증폭기
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