(개요) Single-Stage Amplifiers [Razavi][Ch3]

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출처: Behzad Razavi, Design of Analog CMOS Integrated Circuits, Second Edition

Chapter 3 - Single-Stage Amplifiers (pg. 45~47)

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3.1. Applications

Amplifier는 휴대폰, 노트북, 디지털 카메라 등의 전자기기에 모두 쓰입니다.

전자기기에 사용되는 대표적인 amplifier로는 LNA와 PA가 있는데요.

 

 

휴대폰을 예로 들자면, 우선 LNA는 휴대폰의 receiver에서 안테나로부터 받은 작은 신호를 감지하고 증폭시키는 역할을 합니다.

충분한 세기를 만들기 위해 이후 증폭 단계를 더 거치긴 합니다.

휴대폰의 transmitter에서는 마이크에서 만들어낸 신호가 안테나로 전달되기 전에 신호를 증폭하는 PA가 있습니다.

PA는 가장 큰 배터리 소모를 발생시킵니다.

 

3.2. General Considerations

Linearity of Amplifiers

이상적인 amp는 input x(t)를 linear하게 증폭한 output y(t)을 가집니다.

α1을 gain, α0을 bias point라 할 때, amp의 output을 수식과 같이 나타낼 수 있습니다.

 

Linear amp의 input-output 관계를 그래프로 나타내면 Fig. 3.2(a)와 같습니다.

 

그런데 신호 이동이 커지고 트랜지스터의 bias point가 방해받으면, gain이 바뀌면서 amp가 nonlinear해집니다. (Fig. 3.2(b))

 

Nonlinear한 amp는 신호를 왜곡하거나 신호 간 원치 않는 상호작용을 만들어냅니다.

Nonlinearity에 관해서는 Ch14에서 자세히 다룬다고 합니다.

 

 

Performance of an Amplifier

Amp의 성능을 나타내는 parameter가 analog design octagon에 나타나 있습니다.

 

이 중 input/output impedance는 회로가 이전 회로의 output, 이후 회로의 input과 어떻게 상호작용하는지를 나타냅니다.

 

Table 3.1은 amp의 topology를 정리한 것입니다.

 

Common-source stage가 가장 널리 사용되는 것을 볼 수 있습니다.

이 amp들을 설계할 때 공통적으로 (1) bias condition을 잘 설정해서 각 트랜지스터가 적절한 gm과 ro를 갖도록 해야 하고, (2)input과 output 신호가 bias input에 어떤 영향을 미치는지에 대한 특성을 분석해야 합니다.

여기서 분석은 small-signal과 large-signal 분석 모두를 의미합니다.

(2)의 분석은 Ch5에서 자세히 다룬다고 합니다.