Lecture 35. Common Source Stage 1 for MOSFET

-CMOS( Complementary MOS) Technology

실제로는 NMOS와 PMOS를 동시에 같이 사용한다. 그런데 NMOS의 경우 p-substrate를 사용하고 PMOS는 n-sub를 사용한다. 그럼 이를 동시에 어떻게 이용할까??

위의 그림과 같이 well을 만든다. 즉 p-sub에 n-well을 만들어서 PMOS를 만들어준다. 물론 반대로 만드는 것도 가능하다. 

 

EX)

Vthn=0.5V(NMOS Vth) Vthp=-0.6V(PMOS Vth)로 모든 문제를 가정해보자.

 

NMOS에서는 source의 전압이 제일 낮아야 하므로 위와 같이 source와 drain을 설치해주었다. 그럼 Vgs를 구하면 0.7V이고 Vgs-Vth=0.2V가 나오게 된다. Vds=0.8V로 Vgs-Vth보다 높으므로 saturation이 발생하게 된다. 

 

NMOS에서는 source의 전압이 제일 낮아야 함으로 위와 같이 source 와 drain을 결정해 줄 수 있다. 이와 같이 화살표와 관계없이 source와 drain을 설정할 수 있는 이유는 MOSFET에서 source와 drain이 대칭적이기 때문이다. 그럼 위와 같이 설정한 상태에서 Vgs=0.6V이고 Vds=0.6V이다. Vds>Vgs-Vth을 만족함으로 saturation 상태이다. 

이번에는 PMOS 이다. PMOS에서는 source가 drain보다 전압이 높아야 하므로 위와 같이 설정해 주었다. 이때 Vgs=-0.8V<Vthp=-0.6V로 PMOS의 전원이 켜져있다. Vgs-Vthp=-0.8-(-0.6)=-0.2V이고 Vds=-0.7V이다. PMOS가 saturation region이 되려면 Vds<Vgs-Vthp로 NMOS와 부호가 반대이다. 현재 이를 만족함으로 saturation region이라고 말할 수 있다. 또는 Vsd>Vsg-|Vthp|를 생각해서 대입해주면 0.7>0.8-0.6으로 saturation 조건을 만족시키고 있다. 

이번에도 PMOS에서 Source의 전압이 Drain보다 높아야 함으로 위와 같이 설정해주고 Vgs-Vthp>Vds임을 확인해 보면 saturation region임을 알 수 있다. 

 

-CMOS Amplifier

CMOS로 amplifier를 만들어 보자. 

 

Amplifier Design Procedure

1) Select an amplifier toplogy

어떤 amplifier를 사용할지 선택해야 한다. 나중에 Bipolar transistor처럼 3가지의 회로를 배울 텐데 이 중 적절한 것을 선택하면 된다. 

 

2) Bias the transistor to obtain proper value for gm,ro ...

MOSFET에 맞는 biasing을 해주어야 한다. 그래야 원하는 gain을 얻을 수 있다. 

 

3) Determine the characteristic of the circuit

이 회로의 특징을 정의한다.

 

Amplifier Characteristics

1) Gain

 

Gain은 보통 voltage gain을 말하는 것으로 Vout/Vin을 말한다. Av라고 쓴다. 

 

2) Power Dissipation 

 

3) Etc...

나중에 차근차근 이야기해보자. 

 

지금까지 우리는 MOSFET으로 amplifier를 만드는 과정을 공부했는데 우선 biasing을 한 아래와 같은 회로를 만들었다. 

이 회로에서 Vgs를 구하면 Vo로 bias가 되어있고 Vmike를 sine파형이라고 가정하면 아래와 같은 그래프를 그릴 수 있다. 

load 저항의 전압 Vrl을 구하면 Ido*Rl로 bias가 되어 있고 증폭된 결과를 얻을 수 있다. 

마지막으로 Vout을 구하면 Vout=V1-Ido*Rl임으로 아래와 같은 결과를 얻게 된다. 

위와 같은 회로로 만든 amplifier를 common source amplifier라고 부른다. 나중에 small signal model을 그려보면 알겠지만 source가 GND가 되는 회로를 말한다. common source toplogy의 조건은 아래와 같다. 

즉 gate에서 input을 drain에서 output을 측정해주는 MOSFET회로를 common source amplifier라고 부른다. 

 

small signal model을 구하게 되면 아래와 같다. 

이때 Rd에 흐르는 전류는 Vout/Rd이고 Vin=V1이므로 이를 이용해 KCL을 하면 Av=Voltage gain=-gmRd임을 알 수 있다. 이를 해석해보면 gm이 transconductance로 전압을 전류로 바꿔주는 비율임으로 gm X voltage는 전류의 값을 얻고 이 전류의 값을 Rd와 곱해줌으로 Vout 이라는 전압을 얻게 된다라는 의미로 해석해 볼 수 있다. 

 

V/R

 

 

윤.