#12-1. MOSFET을 이용한 증폭기 설계 - 버퍼(Buffer) 회로

(이번 포스팅은 아래 포스팅에서 이어지는 글로 아래 포스팅을 먼저 보시면 좀 더 도움이 됩니다.)

2023.07.16 - [아날로그 회로] - #12. MOSFET을 이용한 증폭기 설계

#12. MOSFET을 이용한 증폭기 설계

 

[그림 1. MOSFET과 출력저항을 이용한 증폭기 설계 및 출력 파형]

 
그림 1과 같이 증폭기를 설계한 경우 증폭기의 이득은 부하단에 연결되는 임피던스에 의해 결정됩니다. 이 증폭기 부하단에 연결되는 입력 임피던스가 큰 경우 증폭기의 이득과 동작에 문제가 없을테지만, 입력 임피던스가 작은 부하 저항이 연결될 경우에는 회로의 특성이 굉장히 나빠집니다. DC Bias 조차 원하는 레벨을 벗어나 동작 자체가 안될 가능성이 큽니다. 
 
실제로 증폭기 후단에 연결되는 회로의 입력 임피던스를 50ohm이라 가정하고, 연결했을 때 시뮬레이션 결과가 어떻게 달라지는지 봅시다.
 

[그림 2. MOSFET 증폭기 후단의 입력 임피던스가 50ohm일 때 회로 및 출력 파형]

 
그림 2를 보면 그림 1과 비교했을 때, AC전압의 크기가 380mVp에서 13mVp로 DC전압이 2.6V에서 180mV로 줄어들었습니다. AC전압이 대폭 줄어든 것도 문제지만 신호가 동작해야할 영역인 DC 레벨이 변한게 더 큰 문제 입니다. 
 
이럴 때, 버퍼 회로를 사용할 수 있습니다. 임피던스가 다른 두 단의 가운데 삽입하여 일종의 가교 역할을 수행하는 거죠! 그림 2의 회로에서 중간에 버퍼 회로를 삽입하여 그림 3과 같이 회로를 구성한 후, 시뮬레이션을 돌려 봅시다. 버퍼는 ADI사에서 제공하는 AD8691 OPAMP를 사용했습니다. 입력 신호가 50kHz이므로 이 이상의 대역폭을 가지고, 5V에서 동작하는 아무 OPAMP를 대충 선택해도 됩니다.
 

[그림 3. MOSFET 증폭기와 부하저항 사이에 버퍼 회로 연결 시 출력 파형]

출력 파형을 보면 그림 1의 AC전압, DC전압과 거의 동일한 것을 알 수 있습니다. 부하 저항 50ohm을 연결했지만 버퍼 회로로 인해 그림 2의 출력 파형과는 달리 신호의 감쇠나 DC 레벨의 변화가 전혀 없다는 것을 알수있죠. 이게 바로 버퍼 회로의 역할입니다. 그럼 이제 버퍼 회로의 정의와 특성을 정리해 봅니다.
 

[그림 4. 버퍼 회로]

버퍼 회로는 그림 4와 같은 심볼로 표현합니다. 이 녀석을 한마디로 정의하기는 쉽지 않죠. 넓은 의미에서 보면 두 개의 회로단이 연결될 때 서로 영향을 미치지 않도록 중간에서 Isolation을 하는 역할을 한다고 표현할 수도 있고, 좀 더 좁은 의미에서 깊이 있게 표현해 보면, 입력 전압을 온전히 받아들여 출력 전압으로 온전히 전달하는 역할을 한다고도 말할 수 있을 것 같습니다.
 
버퍼의 중요한 두 가지 특성을 다시 정리해보면 다음과 같습니다.
 
특성 1. 전압 이득이 1 (입력과 동일한 출력을 생성합니다)
특성 2. 입력 임피던스는 무한대, 출력 임피던스는 0ohm에 가까움
 
우선 버퍼의 첫 번째 특성, 전압 이득이 1이라는 건 OPAMP의 중요한 특성 Vin1=Vin2에 주목하면 금방 해결 됩니다. (이 부분이 바로 떠오르지 않는다면 #1. OPAMP (연산증폭기) :: 회로 설계 : 기초부터 실무까지! (tistory.com)를 참고해 주세요!)  그리고 Vin2를 Vout과 연결하였으므로 결국 Vin1=Vin2=Vout이 됩니다.
 
버퍼의 두 번째 특성 역시 OPAMP 중요한 특징이라고 할 수 있겠습니다. 버퍼의 입력 임피던스가 무한대에 가깝기 때문에 앞단의 출력 전압을 손실없이 받을 수 있습니다. 그리고 버퍼의 출력 임피던스가 0에 가깝기 때문에 후단에 50ohm의 저항이 연결되더라도 전압 디바이딩에 의해 대부분의 전압이 후단으로 전달 됩니다.
 
다시 한 번 정리를 하면, 버퍼는 앞단에서 넘어오는 전압을 후단으로 그대로 전달 시키므로 전압 팔로워라고도 하며, 앞단의 높은 출력 임피던스를 낮은 임피던스로 바꿔주기 때문에 임피던스 변환기 또는 완충기라고도 표현합니다.  또한, 앞단 회로의 출력 노드에 여러 개의 회로단을 병렬로 연결해야 할 때, 버퍼를 사용함으로써 입력 신호를 보존할 수 있습니다. 여기까지 버퍼에 대한 포스팅을 마칩니다~!