D4 · MOSFET

공통소스 증폭기: 같은 이득, 열린 입력

MOSFET 소신호 모델을 회로에 끼워 전압 이득을 만든다. 드레인 저항을 직접 키워 보며, 출력이 반전되어 커지는 모습이 공통이미터와 같은 꼴이면서도 입력이 전혀 부담을 받지 않음을 본다.

드레인 저항을 키워 이득을 만들어라

옅은 곡선은 게이트 입력 vin이고 굵은 곡선은 출력 vout이다. 드레인 저항 Rd를 키우면 출력이 점점 커지고, 입력이 오를 때 내려가는 반전 모양을 그린다. 게이트는 전류를 먹지 않으니 입력 신호는 고스란히 실린다.

드레인 저항 RdRd = 2.0 kΩ

전압 이득 Av

Av = -gm Rd = -4

Rin ≈ ∞

Rd가 작다. 같은 드레인 전류가 작은 저항에서 만드는 전압이 작아 출력이 별로 크지 않다.

이득 작음

게이트 신호가 드레인 전류를 흔든다

입력 신호를 게이트에 실으면 동작점 위에 작은 vgs가 더해진다. D3에서 본 대로 이 작은 전압은 드레인 신호 전류 id = gm vgs를 만든다. 중요한 차이가 여기 있다. 게이트는 절연되어 전류를 빨아들이지 않으므로, 앞에 있는 신호원은 아무 부담 없이 전압을 고스란히 게이트에 건다. BJT의 베이스가 전류를 요구했던 것과 정반대다.

그 전류가 Rd에서 전압이 되고 반전된다

이 드레인 신호 전류는 드레인 저항 Rd를 지난다. 옴의 법칙으로 Rd 양단 전압이 id Rd만큼 흔들린다. 출력은 드레인에서 뽑는데, 드레인 전압은 전원 Vdd에서 Id Rd를 뺀 값이다. 그래서 신호 전류가 늘면 드레인 전압은 오히려 내려간다. 입력이 오를 때 출력이 내려가는 반전 출력, vout = -id Rd다. 공통이미터(C4)에서 컬렉터가 했던 일을 여기서는 드레인이 똑같이 한다.

Av = -gm Rd, 그리고 열린 입력

id = gm vgs를 vout = -id Rd에 넣으면 전압 이득 Av = -gm Rd가 나온다. 공통이미터의 -gm Rc와 똑같은 꼴이다. 그러나 두 가지가 다르다. 첫째, MOSFET의 gm은 전류의 제곱근으로만 자라(D3) 보통 같은 전류에서 BJT보다 이득이 낮다. 둘째, 게이트가 절연되어 입력 임피던스가 거의 무한대라, 이 증폭기는 앞단에서 신호를 거의 빼앗지 않는다. 날것의 이득은 BJT에 양보하더라도, 앞단에 부담을 주지 않는 이 높은 입력 임피던스가 MOSFET 증폭기의 큰 강점이다.

관찰vout = -id Rd

출력 전압은 신호 전류가 Rd에서 만드는 전압이고 부호가 반대다.

고르기id = gm ?

드레인 신호 전류는 트랜스컨덕턴스 곱하기 게이트 전압이다.

빈칸Av = voutvin = -gm ?

이득은 트랜스컨덕턴스와 드레인 저항의 곱에 음의 부호다.

스스로Rin ≈ ?

절연 게이트라 입력 임피던스가 거의 무한대다.

첫 화면으로 돌아가서

드레인 저항을 키울수록 출력이 점점 커졌고, 입력이 오를 때마다 내려가 반전된 모양을 그렸다. 그 셈은 공통이미터와 똑같았다. 게이트의 작은 전압이 드레인 신호 전류 gm vgs가 되고, 그 전류가 드레인 저항 Rd를 지나며 전압이 되어 드레인 전압을 끌어내렸다. 둘을 곱한 -gm Rd가 전압 이득이다. 다른 점은 두 가지였다. MOSFET의 gm이 작아 날것의 이득은 낮지만, 절연 게이트 덕에 입력이 전류를 먹지 않아 앞단에 거의 부담을 주지 않는다. 큰 이득은 BJT에, 큰 입력 임피던스는 MOSFET에: 설계자는 이 둘 사이에서 고른다.

공통소스 증폭기는 MOSFET 소신호 모델(D3)을 회로에 넣은 것이다. 게이트의 작은 신호 vgs가 드레인 전류 id = gm vgs를 만들고, 이 전류가 드레인 저항 Rd에 흘러 vout = -id Rd를 만든다. 전류가 늘면 드레인 전압이 내려가므로 출력은 반전된다. 전압 이득 Av = -gm Rd로 공통이미터(C4)와 같은 꼴이다. 다만 MOSFET은 gm이 작아 이득은 보통 낮지만, 절연 게이트라 입력 임피던스가 거의 무한대여서 앞단에 부담을 주지 않는다.

이어지는 흐름

지금까지 MOSFET을 아날로그 증폭에 썼다. 그러나 MOSFET이 세상을 바꾼 무대는 디지털이다. 다음 유닛에서는 NMOS와 PMOS를 위아래로 짝지어, 입력이 0이냐 1이냐에 따라 둘 중 하나만 켜지는 CMOS 인버터를 만든다. 출력이 완전히 뒤집히면서도, 정지 상태에서는 전류가 거의 흐르지 않아 전력을 거의 쓰지 않는다.