본문내용
1. 두 STAGE AMPLIFIER 설계
1.1. 프로젝트 개요
Two stage AMPLIFIER 프로젝트의 개요는 다음과 같다.
본 프로젝트는 두 개의 증폭 단계로 구성된 증폭기를 설계하는 것이다. 입력 전압은 1mV의 정현파(주파수 1kHz)이며, 전원 공급 전압(Vcc)은 10V이다. 사용되는 MOSFET는 2N7000/FAI(NMOSFET) 모델이다. 설계된 증폭기의 최종 이득은 36이 되도록 한다.
이를 위해 첫 번째 증폭 단계에서 6mV까지 증폭하고, 두 번째 증폭 단계에서 다시 6mV를 증폭하여 총 36mV의 출력 전압을 얻는다. 높은 이득을 달성하기 위해 캐스코드 구조를 사용하였다.
MOSFET의 동작 모드, 캐스코드 회로 구성, 회로 설계 과정, 시뮬레이션 결과, 프로젝트 고찰 등을 포함하여 Two stage AMPLIFIER 설계 과정을 상세히 다룬다.
1.2. MOSFET 동작 모드
MOSFET는 3가지 동작 모드를 가지고 있다. 이는 Turn-off 모드, Triode 영역, 그리고 Saturation 영역이다.
Turn-off 모드는 Vgs가 Vth 미만일 때의 상태로, 이때는 MOSFET가 완전히 꺼진 상태이다. Vgs가 Vth 이상이 되면 MOSFET가 켜지기 시작한다.
Triode 영역에서는 Vds가 Vgs-Vth 보다 작은 경우로, 이때 MOSFET는 저항과 같은 특성을 보인다. Vds가 증가함에 따라 전류도 증가한다.
Saturation 영역에서는 Vds가 Vgs-Vth 보다 큰 경우이다. 이때 전류는 Vgs에만 의존하게 되며, Vds에 상관없이 일정한 값을 유지한다. 증폭기로 사용하기 위해서는 MOSFET를 반드시 Saturation 영역에서 동작시켜야 한다.
MOSFET의 gain은 주로 gm(transconductance)과 rd(output resistance)의 곱으로 결정된다. gm을 높이면 gain이 증가하지만, 이는 전류 소모가 증가하는 단점이 있다. 따라서 rd를 높이는 것이 더 효과적인데, 이를 위해 Cascode 구조를 사용하는 것이 좋다.
1.3. Cascode 회로 구성
Cascode 회로 구성은 MOSFET를 활용한 증폭기의 성능 향상을 위해 사용되는 기술이다. Cascode 회로는 Common Source 단과 Common Gate 단을 연결하여 구성된다.
Common Source 단에 입력 신호가 인가되면 증폭된 신호가 Common Gate 단으로 전달된다. Common Gate 단에서는 Common Source 단의 출력 신호를 차단하여 입력 신호로부터 완전히 격리시키는 역할을 한다. 이를 통해 출력 임피던스가 크게 증가하게 되어 증폭기의 이득을 높일 수 있다.
Cascode 회로의 출력 임피던스는 다음과 같이 표현된다:
R_out = (1+g_m1*r_o1)(r_o2) + r_o1
여기서 g_m1은 Common Source 단의 트랜지스터 transconductance, r_o1과 r_o2는 각 단의 출력 저항을 나타낸다. Common Gate 단의 출력 저항 r_o2가 추가되어 전체 출력 임피던스가 크게 증가하게 된다.
이러한 Cascode 회로의 구성을 통해 MOSFET 증폭기의 이득을 크게 향상시킬 수 있다. Cascode 구조는 Single-Stage 증폭기에 비해 높은 출력 임피던스와 전압 이득을 제공하므로, 광대역 증폭기 및 고이득 증폭기 설계에 널리 활용된다.
1.4. 회로 설계 과정
R1과 R2는 MOSFET를 biasing하는데 쓰이고 gain에는 영향이 없다. ideal 증폭기에서 input impedance는 infinite하므로 최대한 높은 저항을 썼다. MOSFET의 Gate에 3V~4V전압을 넣어주기 위해 R1=9MΩ, R2=3MΩ 로 설계하였다. C1은 입력 디커플링 커패시터이다. 증폭될 신호의 DC 성분을 제거하기 위해 사용하였다.
Cascode에서 M3가 Common Source stage로 M1이 Common gate stage로 구성하였다. M1의 gate voltage는 VCC보다 작게 8V를 넣었다. 또한 모든 MOSFET의 Saturation 맞추며 저항의 값, Gate voltage 들을 조절하였다.
1 stage와 2stage 각각에 gain 6를 원했으므로 두 stage의 구성과 ga...
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