1-1) Micro Circuit 이란, Silicon 특성 기초

Goal of Electronic Circuit

• 전자회로에서 다루는 AMP는 Transistor 기반으로 만들어진 것을 말한다.
• 이때 Transistor란 전자회로에서 BJT, MOSFET의 소자를 말하는 것이다.

즉, BJT 혹은 MOSFET 소자로 만들어진 증폭회로 = AMP

 

What is AMP?

• AMP(Amplifier) : 증폭기
• 전자회로에서 말하는 증폭기란 input 값과 똑같이 생긴 형태의 Signal을 증폭하여 output단에 나타내 주는 것.
• 이러한 AMP는 실생활에서 소리, 통신, 신호처리 등의 분야에서 모두 쓰인다 (일상 전자기기 모두에)

•  즉, AMP는 우리가 가지고 있는 Electronic Signal 중, 원하는 Electronic Signal만 가져올 수 있도록 도와주는Electronic Device라고 볼 수 있다.
  • Electronic Device에 Electornic Signal을 인가해줄 수 있는 소자는 대표적으로 Sensor.
  • Electronic Device에서 생성된 Electronic Signal을 처리하는 건 연산 및 SW적 처리.
• Analog Circuit이란 Analog Signal (Voltage, Current)를 받아 Analog Signal로 출력할 수 있는 Circuit을 말한다.
• Analog Circuit은 즉 Electronic Signal을 처리해줄 수 있는 Device의 집합이고, 다시말해 AMP로 이루어져 있다.
  • AMP를 이해할 수 있으면 Analog Circuit도 이해할 수 있다.

Voltage Singal Processing

• 하나의 예시로서 Voltage를 받아 Voltage를 증폭출력 해줄 수 있는 소자는 MOSFET이 대표적이다.
• 전자회로에서는 Analog Circuit의 AMP를 MOSFET의 관점에서 설명한다. (설계한다)

• 다른 Transistor인 BJT, FET등을 이용하여 설계할수 있지만, MOSFET으로 설계할 수 있다면 나머지 설계도 가능하다.

• Semicontuctor 즉 반도체를 이해하기 위해서는 Resistance가 무엇인지 부터 정확이 이해해야 한다.
• V=IR 이라는 옴의 법칙에서부터, 저항의 크기 즉 Resistance는 전류를 방해하는 값의 척도이다.
  • R = V/I (V = ε/Q , I = Q/t  전압 : 단위 전하당 가해지는 Potential, 전류 : 시간당 전하의 흐름)
  • 저항이 크다는 것은, 같은 양단 Potential 대비 전하를 흐르지 못하게 한다는 것. 즉 전류가 적게 흐름.
• Conductor란 Resistance 값이 작은 물질.
• Insulator란 Resistance 값이 큰 물질.
• 이때 Semiconductor란 USER에 의해 Conductor의 동작을, Insulator의 동작을 결정해줄 수 있는 소자.
  • 이것의 Control 방법은 여러가지가 있지만 MOSFET은 Gate Voltage로 조절.

• 즉, Semiconductor는 Resistance를 조절할 수 있는 물질 (MOSFET : Voltage로 R을 조절)

• Vcont 값에 의해서 TR의 R 값이 변화한다면, A-B 사이에 흐르는 전류값이 달라진다 (V가 같을 때)
• 이는 즉 Resistance를 조절하는 것을 Current의 관점에서 이야기 할 수도 있다는 말이 된다. (서로 영향받는 값)
  • Vcont ↑ - R ↓ - I ↑ / Vcont ↓ - R ↑ - I ↓
• 이때 R과 TR을 서로 같다고 생각하여 생각해볼 수 있다는 뜻이다 (가변저항 = TR)

• TR의 Node에 이러한 특성에 따라 이름을 붙여줄 수 있다.
• Vcont 값에 의해 움직이는 전하의 관점에서 생각해볼 때.
  • Source (전하가 출발하는 곳, 생성되는 곳)
  • Drain (전하가 빠져나가는 곳)
  • Gate (전하의 양을 조절할 수 있는 문)

• AMP의 중요한 기준 특성은 Gain값이 Linear 하다는 것이다.
• 즉 Gain값이 일정하게 비례해야 (1차함수같이 일정한 기울기를 가지고 있어야 or Vout/Vin 비율이 일정해야) AMP라고 부르고 사용할 수 있다.
• 이때 Gain의 값이 1보다 작아도 Linear하면 상관없다. (Vout/Vin 비율이 일정하면 AMP다)

 

• Voltage AMP는 앞서 말했듯이 Voltage 입력을 받아서 Voltage 출력을 낼 수 있는 Device를 말한다.
• 이때 MOSFET, 즉 반도체로 바꾸어 생각하면 Voltage를 입력받아 흐르는 전류의 값을 조절할 수 있다.
  • V = I * k (k : 비례상수) 의 개념으로 치환할 수 있다.
• 이는 즉 비례상수 k 값이 옴의법칙에 등장하는 R의 값이라는 것을 쉽게 유추해낼 수 있고, 이러한 수식을 완성하여 Voltage AMP를 구현해내기 위해서는 Resistance 값 즉 R의 저항이 있어야 Voltage 출력을 생성할 수 있다는 말이다.

 

• 왼쪽의 첫번째 그림
  • 그렇다면 I의 값을 R에 공급해줄 수 있게 된다면, 해당 저항에 Vdrop이라는 전압강하가 생길 것이다.
  • Voltage 입력에 의핸 전류가 R에 인가된다면 똑같이 Vdrop이라는 Voltage 출력을 만들수 있다.
  • 그러나 이러한 형태는 single input output AMP에 적합하지 않다. (전압 자체를 저항 양단에서 공급해야 함)
• 두번째 그림, 세번째 그림
  • 더 적합한 형태를 찾기 위해서는 저항 양단의 하나의 node는 절대적인 값으로 고정해 두어야 한다. (GND or VDD)
    • GND로 고정한 경우 : 생성된 I의 값이 R을 통해 GND로 흘러가게 만들어. 해당 R에 걸리는 Vdrop값을 Vout node에서 측정할 수 있다.
    • VDD로 고정한 경우 : 생성된 I의 값 (보이지 않는 밑단에서 TR에 의해 생성된 I의 값)이 R에서 Vdrop 만큼의 전압강하를 발생시킨다. 이때 Vout 노드에서는 본래 VDD값에서 I에 의핸 Vdrop값을 뺀 만큼의 Vout 값을 측정할 수 있다.

• 이러한 원리 이해를 바탕으로 MOSFET을 이용해 전류를 Drain에서 Source로 흐르게 하여, TR이 있는 회로단에 I를 흐르게 할 수 있다면. Voltage AMP를 구현할 수 있다는 말이 된다.
• Drain에서 Source로 전류를 언제나 흐를 수 있도록 하기 위해, Source단에 GND값을 고정한다고 했을 경우. Gate에 전압을 인가하여 전류를 생성할 수 있다.
• 이렇게 생성된 전류는 연결된 회로에도 동일한 I크기만큼의 전류를 흐르게 하고, 위에서 보았듯이 R에 의해 Vdrop 이라는 전압 강하를 만들어 낸다.
• 즉 X node에서 전압을 측정하면 VDD - Vdrop 만큼의 전압이 측정된다.
• 이렇게 Voltage input으로 Voltage output 값을 만들어 낼 수 있는 Voltage AMP를 완성했다.

 

• 이러한 원리를 이용한 AMP의 Topology중 하나가 바로 CS (Common Source AMP) 형태이다.
• 이때 주의할 점은 Vdd-Vdrop 만큼이 출력으로 나온다는 특성 때문에, Gain의 값이 Negative 값을 갖는. 즉 출력이 입력과 반전되어 나온다는 특성이 존재한다.

• 위와 같은 원리로 VDD를 하나의 node에 고정하는 것이 아니라 GND를 고정하는 경우에도 사용할 수 있다.
• 오른쪽 그림과 같이 R의 한쪽 node가 GND로 고정되어 있다고 할 때. R에 흘려주는 I의 값을 TR이 만들어줄 수 있다.
  • 단, GND로 전류가 흐를 수 있도록 MOSFET Drain node에 GND 값보다 높은 전압 (VDD)을 걸어주어야 한다.

 

• 이러한 원리로 구현한 또다른 AMP Topology로 SF(Source Follower)를 구현할 수 있다.

 

 

• 즉 우리는 이러한 원리를 배우면서 다음과 같은 질문들에 답할 수 있어야 한다.

1. 설계한 AMP의 실제 Gain값은 얼마인가?
2. 같은 Voltage AMP인 SF와 CS AMP는 어떤 점에서 다른 AMP인가?
3. Gain (Av)값이 1보다 작은 AMP는 왜 설계하고 사용하는가?
4. 다른 형태의 AMP 구조를 만들 수 있는가?
5. 해당 AMP의 입/출력 Voltage Range와 Speed는 어떻게 되는가?