소스 폴로워(Source Follower) 또는 공통 드레인(Common Drain,CD)에 대한 이론을 알아보자

 

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소스 폴로워(Source Follower, SF, 공통 드레인)

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소스 폴로워에 대한 자세한 해석은 아래 링크를 클릭하세요!

https://contents.premium.naver.com/informationgs/takeinformationgs/contents/240218112839629ks

[전자회로 1] 소스 폴로워 또는 공통 드레인 (Source-Follower or Common Drain)

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뭐하는 녀석일까?

 

소스폴로워는 공통 드레인으로도 불리기도 하며 입력 신호(게이트의 신호)가 출력 신호(소스의 출력)를 따라가기(Follow) 때문에 소스 폴로워(Source Follower)라고 불리게 된다.

 

소스 폴로워 같은 경우에는 어떤 복잡한 회로망의 상대적으로 높은 임피던스를 소스 폴로워를 통해 임피던스를 낮춰줌으로써 임피던스 매칭을 해주는 역할을 한다.

결과적으로 전압 버퍼로써 동작을 수행하게 된다.

 

회로망에서 받아오는 "입력"이 "출력"으로 그대로 나와주었음 좋겠지만 트레이드 오프가 존재해 전압이득이 1보다 낮은 값으로 나오게 된다.

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이전 포스팅인 Source Degeneration Common Source Stage(소스 축퇴 공통 소스 단) 내용을 참고하면 이번 포스팅의 이해 속도는 빠를 것이라 생각한다.

 

2021.10.13 - [전공(Major)/전자회로와 아날로그 회로설계] - 공통 소스 증폭기 개념과 응용 회로들을 알아보자

공통 소스 증폭기 개념과 응용 회로들을 알아보자

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소스폴로워의 구성은 아래 사진 1과 같다.

사진 1. SF 의 구성

 

신호를 증폭시켜주진 않지만 크게 보았을 때는 축퇴저항을 가지는 공통 소스원리와 비슷한 성격을 가지고 있다.

 

먼저 이 녀석의 대신호 특성을 알아보자

 

대신호 특성

 

대신호 해석을 하기 위해 KVL을 돌려주면 식 1과 같은 결과가 나오는데 출력 전압 Vout은 입력전압에 게이트-소스 전압만큼을 뺀 전압이 출력 전압으로 나오게 되며 이를 레벨이 시프트 되었다 하여 레벨 시프터라고도 표현 가능하다.

사진 2. KVL, 식 (1)

 

레벨 시프터에 대한 의미로 자세한 그래프의 결과는 사진 2-1과 같이 표현 가능하다.

사진 2-1. 레벨 시프터의 의미

 

 

 

소신호 해석

 

처음에 언급했었던 전압이득이 1보다 낮다는 것을 소신호 해석을 통해 알 수 있는데 축퇴 저항을 가지는 공통 소스의 소신호 해석과 비슷한 결과를 보인다.

 

소신호 등가모델은 아래와 같으며 동그라미 안에 있는 숫자는 순서를 설명한 것이다.

 

사진 3. 소신호 등가 모델과 증명 과정

소스에 있는 저항이 소스 폴로워의 출력인 Vout이며, (1) 같은 노드를 묶고, (2) 접지(GROUND, GND)를 (3) 같은 곳으로 묶어서 표현하면 사진 3의 우측 처럼 표현이 되는데 결국에는 ro와 Rs는 같은 극성인 Vout을 가지고 이는 병렬 저항으로 표현이 가능하다.

 

사진 4. 병렬 저항의 표현 식(2)

 

사진 3에서 병렬 저항로 표기하고 공통된 노드에 KCL을 적용하면 아래와 같이 표현 가능하다.

 

사진 5 등가 회로, 식(3) 전압 이득의 표현

 

소스 팔로워의 게이트 전압(Vg)은 입력 전압이고, 소스 전압(Vs)는 출력 전압이다.

게이트-소스 전압(Vgs)는 결국 입력 전압과 출력 전압의 차를 의미함을 알고 KCL을 통해 회로를 해석하게 되면 식 3과 같이 전압이득 식이 구해지게 된다.

 

식 3을 토대로 입력전압의 변화를 통한 전압 이득의 변화는 사진 6과 같이 표현 가능하다.

사진 6. Av-vin 특성

 

입출력 특성

 

낮은 주파수에서의 입력 입피던스는 무한대이며, 출력 특성은 1/gm과 Rs의 병렬 연결로 볼 수 있다.

병렬 저항은 1/gm이 Rs보다 작으니 출력저항은 대략 1/gm으로 볼 수 있다.

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