7-4. 능동 부하 차동 증폭기 및 공통 모드 제거비(CMRR) 향상

1. 능동 부하 차동 증폭기의 개요

차동 증폭기는 두 입력 신호 간의 차이를 증폭하는 회로로, 잡음 제거 능력이 뛰어나 다양한 아날로그 회로에서 핵심적인 역할을 합니다. 특히, 신호가 잡음과 함께 전달되는 환경에서 차동 증폭기는 공통 모드 신호(두 입력에 공통적으로 나타나는 잡음)를 효과적으로 제거하여 원하는 신호만을 증폭할 수 있습니다. 이는 통신, 계측, 센서 인터페이스 등 잡음에 민감한 분야에서 매우 중요한 기능입니다. 능동 부하는 이러한 차동 증폭기의 성능을 더욱 향상시키는 핵심적인 기술입니다.

1) 차동 증폭기의 기본 원리

차동 증폭기는 두 개의 입력 단자(V+ 및 V-)와 한 개의 출력 단자를 갖습니다. 이상적인 차동 증폭기는 두 입력 전압의 차이(V+ - V-)에 비례하는 전압을 출력합니다. 이를 수학적으로 표현하면 다음과 같습니다.

$$V_{out} = A_d(V_+ - V_-)$$

여기서 $A_d$는 차동 이득(differential gain)입니다.

2) 공통 모드 신호와 공통 모드 제거비(CMRR)

차동 증폭기는 차동 모드 신호(V+와 V-의 차이)뿐만 아니라 공통 모드 신호(V+와 V-에 동일하게 나타나는 신호)에도 반응할 수 있습니다. 공통 모드 신호에 대한 증폭은 원치 않는 잡음이나 간섭을 증폭하는 결과를 초래하므로, 이를 최소화하는 것이 중요합니다. 공통 모드 제거비(CMRR, Common-Mode Rejection Ratio)는 차동 증폭기가 공통 모드 신호를 얼마나 효과적으로 제거하는지를 나타내는 지표입니다. CMRR이 높을수록 잡음 제거 능력이 우수하며, 다음과 같이 정의됩니다.

$$CMRR = 20 \log_{10} \left( \frac{A_d}{A_{cm}} \right)$$

여기서 $A_{cm}$은 공통 모드 이득(common-mode gain)입니다. 이상적인 차동 증폭기의 경우, $A_{cm} = 0$이므로 CMRR은 무한대가 됩니다.

2. 능동 부하의 개념 및 장점

능동 부하는 수동 부하(저항) 대신 트랜지스터와 같은 능동 소자를 사용하여 구현되는 부하입니다. 차동 증폭기에 능동 부하를 사용하면 다음과 같은 주요 장점을 얻을 수 있습니다.

1) 높은 이득

능동 부하는 높은 출력 임피던스를 가지므로, 차동 증폭기의 전압 이득을 크게 향상시킬 수 있습니다. 이는 능동 부하가 트랜지스터의 출력 저항을 효과적으로 활용하기 때문입니다. 수동 부하(저항)를 사용하는 경우, 저항 값에 따라 이득이 제한되지만, 능동 부하는 트랜지스터의 특성을 이용하여 더 높은 이득을 얻을 수 있습니다.

2) CMRR 향상

능동 부하 회로는 차동 대칭성을 유지하기 용이하므로, 공통 모드 신호에 대한 억제 능력을 향상시켜 CMRR을 높일 수 있습니다. 이는 능동 부하를 구성하는 트랜지스터 쌍이 완벽하게 일치하는 경우 이상적인 결과를 보이며, 실제 회로에서도 높은 CMRR을 달성할 수 있도록 설계됩니다.

3) 전력 소모 감소

능동 부하는 동일한 이득을 얻기 위해 수동 부하보다 낮은 전력 소모를 요구할 수 있습니다. 이는 트랜지스터의 특성을 효율적으로 활용하여 회로의 전반적인 전력 효율을 높이는 데 기여합니다.

Source: Electronics Stack Exchange

3. 능동 부하 차동 증폭기 설계

능동 부하 차동 증폭기는 일반적으로 두 개의 MOSFET 또는 BJT 트랜지스터를 사용하여 구현됩니다. 기본적인 설계는 다음과 같습니다.

1) MOSFET 기반 능동 부하

MOSFET 기반 능동 부하 차동 증폭기는 다음과 같은 구성 요소로 이루어집니다.

• 입력 MOSFET: 두 개의 MOSFET(M1, M2)은 차동 입력 신호(V+ 및 V-)를 받습니다.
• 능동 부하: 두 개의 MOSFET(M3, M4)는 M1과 M2의 드레인에 연결되어 능동 부하 역할을 합니다. 일반적으로 M3와 M4는 전류 미러로 구성되어 M1과 M2의 드레인 전류의 차이를 출력합니다.
• 출력: M3와 M4의 드레인 연결 노드에서 출력 신호(Vout)를 얻습니다.
• 전류원: 회로의 바이어싱을 위해 전류원을 사용합니다.

2) BJT 기반 능동 부하

BJT 기반 능동 부하 차동 증폭기는 MOSFET 기반 회로와 유사한 원리로 작동합니다.

• 입력 BJT: 두 개의 BJT(Q1, Q2)는 차동 입력 신호를 받습니다.
• 능동 부하: 두 개의 BJT(Q3, Q4)는 Q1과 Q2의 컬렉터에 연결되어 능동 부하 역할을 합니다. Q3와 Q4는 전류 미러로 구성됩니다.
• 출력: Q3와 Q4의 컬렉터 연결 노드에서 출력 신호를 얻습니다.
• 전류원: 회로의 바이어싱을 위해 전류원을 사용합니다.

3) 설계 시 고려 사항

능동 부하 차동 증폭기를 설계할 때는 다음과 같은 사항을 고려해야 합니다.

• 바이어싱: 트랜지스터의 동작점을 적절하게 설정하여 원하는 이득과 선형성을 얻도록 합니다.
• 트랜지스터 매칭: 능동 부하를 구성하는 트랜지스터 쌍(M3, M4 또는 Q3, Q4)의 완벽한 매칭은 높은 CMRR을 달성하는 데 필수적입니다.
• 출력 임피던스: 높은 출력 임피던스를 갖도록 설계하여 전압 이득을 최대화합니다.
• 주파수 응답: 회로의 주파수 특성을 분석하고, 필요한 대역폭을 확보하도록 설계합니다.

4. CMRR 향상 기법

CMRR을 향상시키기 위한 몇 가지 기법을 소개합니다.

1) 트랜지스터 매칭 개선

능동 부하를 구성하는 트랜지스터 쌍의 매칭을 개선하는 것은 CMRR 향상에 가장 중요한 요소입니다. 트랜지스터의 임의적인 특성 변동(예: 문턱 전압, 이득 등)으로 인해 공통 모드 신호에 대한 응답이 달라질 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 다음과 같은 방법을 사용합니다.

• 레이아웃 설계: 트랜지스터를 최대한 가깝게 배치하고, 동일한 환경(온도, 공정 변동)에 노출되도록 설계합니다.
• 더미(dummy) 트랜지스터 사용: 주변 환경의 영향을 동일하게 받도록 더미 트랜지스터를 배치합니다.
• 트랜지스터 크기 조절: 트랜지스터의 크기를 적절히 조절하여 특성 변동의 영향을 줄입니다.

2) 전류 미러 회로 개선

능동 부하로 사용되는 전류 미러 회로의 정확도를 높이는 것은 CMRR 향상에 도움이 됩니다.

• Cascode 전류 미러: Cascode 구조를 사용하여 출력 임피던스를 높이고, 전류 미러의 정확도를 향상시킵니다.
• 와이드 스윙 전류 미러: 낮은 전압에서도 동작할 수 있는 와이드 스윙 전류 미러를 사용하여 전압 스윙 범위를 넓힙니다.
• 저항 보상: 전류 미러 회로에 저항을 추가하여 전류 미러의 정확도를 높입니다.

3) 회로 대칭성 유지

회로의 대칭성을 유지하는 것은 CMRR을 향상시키는 또 다른 중요한 요소입니다.

• 균형 잡힌 부하: 입력단에 균형 잡힌 부하를 사용합니다.
• 대칭적인 배선: 회로의 배선을 대칭적으로 설계하여 기생 성분의 영향을 최소화합니다.

Source: Electronics Stack Exchange

5. 실제 응용 사례

능동 부하 차동 증폭기는 다양한 분야에서 활용됩니다.

• 계측 증폭기: 센서 신호를 증폭하고 잡음을 제거하여 정밀한 측정을 수행합니다.
• 오디오 증폭기: 오디오 신호의 품질을 향상시키고 잡음을 제거합니다.
• 통신 시스템: 신호 수신 및 전송 회로에서 잡음을 제거하고 신호의 강도를 높입니다.
• 생체 신호 증폭기: 심전도(ECG), 뇌파(EEG) 등 미세한 생체 신호를 증폭하여 진단 및 연구에 활용합니다.

6. 주의사항 및 트러블슈팅

능동 부하 차동 증폭기를 설계하고 사용할 때 다음과 같은 사항에 주의해야 합니다.

• 바이어스 불안정: 온도 변화나 공정 변동에 의해 바이어스 포인트가 변동될 수 있으므로, 안정적인 바이어싱 회로를 사용해야 합니다.
• 기생 성분: 기생 커패시턴스나 인덕턴스가 회로의 성능에 영향을 미칠 수 있으므로, 레이아웃 설계를 신중하게 수행해야 합니다.
• 과도 응답: 입력 신호의 급격한 변화에 의해 회로가 불안정해질 수 있으므로, 과도 응답 특성을 고려하여 설계해야 합니다.
• CMRR 측정: CMRR을 정확하게 측정하여 회로의 성능을 평가해야 합니다.

7. 결론

능동 부하 차동 증폭기는 높은 이득, 우수한 CMRR, 낮은 전력 소모 등의 장점을 제공하며, 다양한 아날로그 회로에서 핵심적인 역할을 수행합니다. 능동 부하 차동 증폭기의 동작 원리를 이해하고, CMRR을 향상시키기 위한 다양한 기법을 적용함으로써 잡음에 강하고 성능이 뛰어난 증폭기를 설계할 수 있습니다.