전자회로Ⅱ 설계 과제 - MOSFET 차동 증폭기 설계

소개글

전자회로Ⅱ 설계 과제 - MOSFET 차동 증폭기 설계에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 설계 주제----------------------------------------------(p.3)
2. 설계 목적----------------------------------------------(p.3)
3. 설계 내용---------------------------------------------(p.3)
4. 차동 증폭기란----------------------------------------(p.4)
5. 이론을 사용한 설계
　(1) 설계회로-------------------------------------------(p.4)
　(2) 설계수식
　　1) 수식 -----------------------------------------(p.5)
　　2) 수식-------------------------------------------(p.5)
　　3) 공통모드 이득계산-----------------------------------(p.5)
　　4) 차동모드 이득계산-----------------------------------(p.6)
　　5) CMRR 수식----------------------------------------(p.7)
　　6) MOSFET 트랜지스터 포화상태 확인----------------------(p.7)

6. P-spice를 활용한 설계 시뮬레이션
　(1) Trans (공통모드 / 차동모드) 해석------------------------(p.8)
　(2) AC sweep (공통모드 / 차동모드) 해석--------------------(p.8)
　(3) 이론값들과 시뮬레이션 값 오차비교-------------------------(p.9)
　(4) 시뮬레이션을 통한 CMRR dB 측정------------------------(p.9)
　(5) 시뮬레이션을 통한 포화영역 확인-----------------------(p.9)
　(6)저항 값 오차 ±10%에 따른 CMRR 크기--------------------(p.10)

7. 결과 및 고찰------------------------------------------(p.10)

8.참고문헌-----------------------------------------------(p.10)

본문내용

있도록 미리 연습해본다.
3. 설계 내용
- 설계 규격
(1) 저항을 부하로 하는 MOS 차동증폭기 설계(기본 구조는 그림 7-48 참조)
(2) CMRR > 20dB
(3) 부하저항 5<<30
(4) 전원 =5~15V(dual power supply)
(5) 트랜지스터 특성 : , ,
(각 트랜지스터의 (W/L)비는 조절 가능)
- 위 설계규격에 맞추어 이론적으로 먼저 설계 이후 P-SPICE 시뮬레이션으로 결과 값과 그 오차 정도를 비교하여 오차 범위 내에 들어가도록 설계 한다.
4. 차동 증폭기란
정 의 : 특성이 같은 2개의 증폭 소자(Transistor)를 대칭적으로 접속하고, 양자의
입력 차에 비례한 출력을 얻는 증폭기.
장 점 : 전원 전압이나 온도의 변화에 의한 영향이 상쇄되어 안정된 동작 가능.
특 징 : 두 개의 입력단자와 한 개 또는 두 개의 출력단자를 가지며, 두 입력신호의차를 증폭하는 기능을 갖는다.
5. 이론을 이용한 설계
(1) 설계 회로
설계 진행함에 있어 부하저항 과 를 같게 하면 이상적일 때 공통모드 이득이 0 이 되므로 에 기본 저항오차 5%만큼 더하여 에 를 더한 값을 라 하고 은 으로 진행하였다.
(2) 이론적 설계 및 수식정리
2-1) 수식
, ( )
,()
()
2-2) 수식
,()
3) 공통모드 이득 계산
위 그림 4를 이용하여 공통모드 회로의 출력전압을 계산해보면 아래 3-1)과 같다.
(에 대한 그림은 공통모드에서는 계산 방식이 같기 때문에 생략)
3-1) ,()
,()
3-1) 과정을 통해 구한 출력 전압을 이용하여 공통모드 전압이득은 아래의 계산과 같다.
3-2)
공통모드 전압 이득의 계산결과 임을 알 수 있다.
4) 차동모드 이득 계산
위 그림 6을 이용하여 차동모드 회로의 출력전압을 계산해보면 아래 4-1)과 같다.
4-1) ,()
, ()
차동모드반쪽회로에서 는 의 입력신호와 저항만 다르므로 나머지 계산과정은 같다.
4-1) 과정을 통해 구한 출력 전압을 이용하여 차동모드 전압이득은 아래 4-2) 계산과 같다.
4-2)
5) CMRR 수식
6) MOSFET 트랜지스터 포화상태 확인
정 전류원이 흐르는 는 항상 포화영역이다.
,
그런데 에 흐르는 전류가 같고 전압도 같아서
역시 포화영역이다.
6. P-spice를 활용한 설계 시뮬레이션
(1) Trans (공통모드 / 차동모드) 해석
Trans 해석을 통해 공통모드 제거비의 계산 값이 81.99dB가 나왔고 이론값과 1.11% 오차가 발생했다.
(2) AC sweep (공통모드 / 차동모드) 해석
이론 계산 값 ,
시뮬레이션 결과 값 , 통해 원하던 오차범위 안에 구할 수 있었다.
(3) 이론값들과 시뮬레이션 값 오차비교
파라미터
이론값
시뮬레이션
오차값 %
200uA
202.9uA
1.43%
200uA
202.8uA
1.38%
400uA
405.6uA
1.38%
400uA
400.5uA
0.125%
81.08dB
79dB
2.56%
81.08dB
81.99dB
1.11%
(4) 시뮬레이션을 통한 CMRR dB 측정
설계한 회로의 이론적 CMRR 계산 값이 81.08dB가 나왔고 시뮬레이션 결과의 CMRR 값이 81.978dB로 이론 계산 값과 오차범위 10% 내로 측정됨을 알 수 있다.
(5) 시뮬레이션을 통한 포화영역 확인
의 측정 값 = 3.3072V
의 측정값 = 1.9908V
트랜지스터 , 의 포화영역에 동작하는지 보면 , 이므로 , 두 트랜지스터 모두 포화영역에 동작함을 시뮬레이션으로 확인하였다.
(6)저항 값 오차 ±10%에 따른 CMRR 크기
저항Ω
5.1
5.61
20
5.1
5.61
18
5.1
5.61
22
CMRR
76db
75.74
76.75
저항Ω
5.1
5.355
20
5.1
5.355
18
5.1
5.355
22
CMRR
81.99db 설계 값
81.56db
82.35db
저항Ω
5.355
5.1
20
5.355
5.1
18
5.355
5.1
22
CMRR
81.97db
81.56
82.35
저항Ω
5.355
5.61
20
5.355
5.61
18
5.355
5.61
22
CMRR
82.39db
81.98
82.77db
저항Ω
5.61
5.355
20
5.61
5.355
18
5.61
5.355
22
CMRR
82.39db
81.98
82.77db
저항Ω
5.61
5.61
20
5.61
5.61
18
5.61
5.61
22
CMRR
무한대
무한대
무한대
회로를 설계 시 저항 값의 오차에 따른 CMRR 비교 분석 결과 계산 값 대비 오차범위 값이 나옴을 알 수 있다. (5.1K의 10%는 설계 조건에 맞지 않아 생략)
7. 결과 및 고찰
(1) 결과
설계 규격
설계 값
비고
부하저항
5<<30
5.1
같은 저항이지만, 저항 값의 차이 가정, =5.1, =5.355 사용
부하저항
-
20
시뮬레이션 결과로 얻은 값
전원
5V~15V
5V
낮은 전압에서 효율적인 증폭을 하는 것이 가장 이상적인 것이라 생각하여 5V사용
트랜지스터 특성
,
0.01
설계 규격에 주어진 값
0.4mA/
설계 규격에 주어진 값
1V
설계 규격에 주어진 값
W/L 비 조절가능
2
시뮬레이션 결과 수치가 적을수록 안정적임
설계 과제로 주어진 차동증폭기의 규격, 목표치인 CMRR값 20dB이상의 값을 최종적으로 도출
하는 회로를 설계 하였다.
(2) 고찰
먼저, MOSFET에 대한 지식이 많이 부족하여, 처음 설계 진행에 많은 장애가 있었고, 내가 알고 있었던 or-cad 기능만으로는 설계에 어려움이 있어 이를 습득하는 과정에서도 역시 많은 시간이 걸렸다. 그러나 이 과정을 통해 교수님의 목표였던 이론 공부와 or-cad의 사용 능력이 향상 될 수 있었다. 또한 이론 공부에 대해서는 아직도 부족함을 많이 느껴, 배움에 적극적인 자세가 필요함을 알았고, 차동 증폭기를 설계해 보니 op-amp에 대한 호기심도 생겨, 여기서 머무르지 않고 여러 가지 회로에 대한 공부도 해 보고 싶다.
8. 참고문헌
(1) 전자회로 핵심 개념부터 응용까지 -저자 : 강문식, 신경욱
1) 6장 전계효과 트렌지스터(FET) 증폭기, 2) 7장 차동증폭기와 다단증폭기

키워드

차동증폭기 설계,   설계 시뮬레이션,   MOSFET 차동 증폭기 설계,   차동 증폭기,   차동증폭기,   설계,   MOSFET,   설계 회로