MOSFET 전류 미러와 능동부하 증폭기: 이득 수백 배의 대가

PMOS 전류 미러로 정전류원을 만들고, 그것을 부하로 쓴 공통소스 증폭기의 동작점, 이득, 전력과 브레드보드에서 생기는 문제를 PSpice 결과로 정리합니다.

저항 부하 공통소스 증폭기(MOSFET 증폭기 가이드)의 이득은 R_D로 정해져 수 배에 그칩니다. 저항 대신 정전류원을 부하로 쓰면 부하의 소신호 저항이 매우 커져 이득이 수백 배가 됩니다. 이 글의 숫자는 실험 교안 회로(IRF510, IRF4905)를 돌린 PSpice 결과와 그것으로 계산한 값이며, 실측값이 아닙니다.

1. 회로

2. 전류 미러의 원리

게이트와 드레인을 묶은 M_p2는 항상 포화 영역이고, 흐르는 전류에 맞는 V_SG를 스스로 만듭니다. M_p1은 게이트와 소스가 M_p2와 같으므로 같은 V_SG를 받고, 포화 영역에 있는 동안 같은 전류를 흘립니다. 차이는 두 소자의 V_SD가 다를 때 채널 길이 변조(λ)로 생기는 몫과 두 부품의 편차입니다.

3. 정전류원: R_ref를 바꿀 때 (V_DD 10 V)

• V_SG는 거의 그대로: I_o = I_ref라고 보고 V_DD − |I_o|R_ref로 V_SG를 구하면 전류가 9.9배 바뀌는 동안 59 mV밖에 움직이지 않습니다. 그래서 출력 전류는 사실상 (V_DD − V_SG)/R_ref이고, 표의 식 열이 PSpice와 거의 같습니다. 이 IRF4905 모델은 K가 매우 커서 수 mA~수십 mA가 모두 문턱 바로 위에서 흐르기 때문입니다.
• PSpice의 음수 전류: 전류 방향을 소자 핀 기준으로 재기 때문입니다. 크기만 비교하면 됩니다.
• 작은 R_ref는 열이 문제: R_ref = 100 Ω이면 저항에서 약 0.44 W가 나서 ¼ W 저항은 버티지 못합니다. 출력 쪽 M_p1은 드레인이 접지라 V_SD = 10 V 전체를 받아 0.66 W를 냅니다.
• 실제 부품의 V_SG는 다르다: IRF4905의 V_GS(th)는 데이터시트상 −2~−4 V로 퍼져 있습니다. 출력 전류는 V_DD − V_SG에 비례하므로 V_DD가 작을수록 이 편차가 크게 보입니다. 두 PMOS도 서로 다를 수 있으니 같은 로트에서 고르고, 측정한 I_ref와 I_o를 함께 적습니다.

4. 능동부하 공통소스 증폭기 (V_DD 20 V, R_ref 100 Ω)

게이트 분압 R₁ = 390 kΩ, R₂ = 105 kΩ로 V_G = 4.242 V이고, 소스가 접지라 그대로 V_GS입니다(PSpice 4.24 V). PSpice 동작점은 I_DQ = 168.8 mA, V_DSQ = 10.05 V였고, 진폭 10 mV(첨두-첨두 20 mV), 10 kHz 입력에 출력이 7.572 V_p-p로 반전되어 나왔습니다.

• 이득: 7.572 ÷ 0.02 ≈ 379 V/V(약 51.6 dB)입니다. 저항 부하 공통소스(수 V/V)보다 백 배쯤 큽니다.
• 동작점 전류는 미러가 정한다: V_SG가 3절과 비슷하다면 I_ref ≈ (20 − 3.35) ÷ 100 ≈ 166 mA이고, PSpice의 I_DQ도 이 근처입니다. M_p1의 V_SD가 M_p2보다 커서(λ 효과) 조금 더 흐릅니다.

마지막 식을 보면 이득은 전류 크기와 거의 상관이 없고, 과구동 전압과 두 소자의 λ로 정해집니다. 같은 V_GS − V_th라면 전류를 줄여도 이득은 그대로이고, 전류를 줄이면서 과구동 전압을 낮추면 오히려 커집니다.

5. 브레드보드에서 생기는 문제

동작점이 레일로 붙는다

드레인에는 커패시터가 없어서 게이트의 직류 변화도 같은 이득으로 출력에 나옵니다. 출력이 위로 9.95 V, 아래로 10.05 V 여유가 있으니, V_G가 약 26 mV만 어긋나도 출력이 전원 레일이나 0 V에 붙습니다. 그런데 5% 저항이면 R₁, R₂가 반대로 어긋날 때 V_G가 최대 약 325 mV, 1% 저항이어도 66 mV 움직입니다. 부품의 V_th 편차(IRF510 데이터시트 2~4 V)는 이보다 훨씬 큽니다. 그래서 교안 값 그대로 꽂으면 출력 직류가 거의 확실히 한쪽 끝에 붙습니다.

• R₁이나 R₂ 쪽에 다회전 가변저항을 넣고, 드레인 직류 전압을 보면서 V_DD의 절반 근처로 천천히 맞춥니다.
• 맞춘 뒤에도 소자가 데워지면 문턱전압이 내려가(보통 °C당 수 mV) 출력이 흘러갑니다. 몇 분 기다렸다가 다시 맞추고 바로 측정합니다.

열: 교안 값 그대로면 수 W

IRF510은 방열판 없이 접합-주위 열저항이 약 62 °C/W라, 1.7 W면 주위보다 약 105 °C 뜨거워집니다. R_ref 100 Ω에는 2 W 이상 저항이 필요합니다. 브레드보드에서 한다면 방열판을 달거나, R_ref를 키워 전류를 수 mA~수십 mA로 낮추고(4절 식대로 이득은 크게 줄지 않습니다) 게이트 분압을 그 전류에 맞게 다시 고르는 편이 안전합니다. 전원 전류 제한도 꼭 걸어 둡니다.

입력 20 mV_p-p를 만드는 법

• 함수발생기의 최소 진폭 근처는 잡음과 오프셋이 상대적으로 큽니다. 1 V_p-p 정도를 내고 저항 분압(예: 10 kΩ과 200 Ω, 약 1/51)으로 줄여 넣으면 깨끗합니다.
• 입력 커패시터 C = 10 µF와 R₁‖R₂ ≈ 82.7 kΩ의 시정수는 약 0.83초입니다. 전원을 켠 뒤나 동작점을 다시 맞춘 뒤 몇 초 기다립니다.
• 출력이 위아래 중 한쪽만 납작하면 동작점이 그쪽 레일에 가까운 것입니다. 입력을 줄이기 전에 드레인 직류 전압부터 확인하세요.
• 입력 측정은 프로브 1× 또는 대역 제한(BW limit)과 평균 모드를 쓰면 mV 단위 신호도 읽을 만합니다. 이득 계산에는 분압 뒤 실제 게이트 쪽 신호를 씁니다.

6. 보고서에 쓸 때

• 정전류원 표에는 I_o와 함께 I_ref(또는 V_SG)를 적어 두면 미러 비율 I_o/I_ref를 따로 볼 수 있습니다.
• 증폭기는 이득과 함께 측정 당시의 드레인 직류 전압을 적으세요. 같은 회로라도 동작점에 따라 이득과 최대 출력이 크게 바뀝니다.
• 시뮬레이션 모델(IRF510, IRF4905)의 λ와 V_th가 실제 부품과 다르다는 점을 차이의 원인으로 다룰 수 있습니다.

소자 온도는 방열판 계산기, 이득의 dB 변환은 dB 계산기, 저항 전력은 옴의 법칙 계산기로 확인하세요.