Cascode 캐스코드 1

-캐스코드 토폴로지 (Cascode Topology)

-전압 변화 특성

-캐스코드의 바이어스 조건

-캐스코드의 입출력 특성(대신호 동작)

-캐스코드의 소신호등가회로 & 소신호특성

-캐스코드 토폴로지의 출력저항

-캐스코드 토폴로지 응용

-축소형 캐스코드와 폴디드 캐스코드 

 

파란색 글씨는 저의 개인적인 생각과 견해입니다. 

1. 캐스코드 토폴로지 (Cascode Topology)

 

cascode 구조

위 그림은 가장 기본적인 캐스코드 구조이다.

캐스코드 구조는 모스를 직렬로 위로 쌓아 올린 형태이다. 

두 단으로 쪼개서 보면 Common- Source stage(M1)와 Common Gate stage(M2)의 직렬연결이라고 할 수 있다.

 

M1 을 입력 소자, M2를 캐스코드 소자 라고 한다.

특징 :

    - M1 , M2는 같은 바이어스 및 신호 전류를 흘린다. (current path가 하나임)

    - M1은 입력 Vin에 비례하는 소신호 드레인 전류를 생성한다.

    - M2는 그 전류를 Rd에 연결시킨다.  (입력소자에 의해 변화하는 전류에 따라 M2의 소스 전압이 변할 것이다.)

    (M2 를 쌓지 않고 그냥 Rd에 연결시키는 것에 비해 장점이 뭘까?== 출력저항?)

    

2. 전압 변화 특성

Vin 이나 Vb가 변할 때 어떤 일이 일어나는지 살펴본다.

1) 입력소자의 Vin 이 ΔV 만큼 증가할 때. 

1) Vin 증가

2) 드레인 전류 gm1ΔV 만큼 증가

3) Channel Length Modulation, Body Effect 무시(즉 람다=감마=0 일 때)할 때, 노드 x에서 바라본 임피던스는 1/gm2

4) 노드 x에서 전압강하는 (gm1 / gm2) * ΔV 

5) M2는 M1의 전류를 그대로 통과시키기만 하므로, Vout에서의 전압 강하는 gm1 ΔV Rd

 

 

 

2) 캐스코드 소자의 Vb가 ΔV 만큼 증가할 때

1) 캐스코드 소자 M2의 게이트 전압을 ΔV만큼 변화시키고 Source에서의 전압을 관찰 할 때, 

M2를 소스팔로워처럼 해석할 수 있다.

왜? 소스단에 전류원에 의해 바이어스 되어있으며, 게이트 입력을 가하고 소스에서 출력을 뽑아내므로 소스팔로워 토폴로지이다.

따라서 Vx는 ΔV만큼 증가할 것이다.

2) 반면 Vout은 변하지 않는다.

전류는 입력소자에 의해서 결정되고 캐스코드 소자는 그 전류를 그저 통과시키기만 하므로

==> 캐스코드 소자에서 전압이득 (Vout/Vb)은 0이다.

 

 

3. 캐스코드 의 바이어스 조건

캐스코드 구조에서 입력소자와 캐스코드 소자가 둘 다 saturation영역에서 동작하기 위한 바이어스 조건을 알아본다.

결론부터 말하자면 

캐스코드 토폴로지에서 최소 출력전압은 2*Vov (두 개의 과구동 전압)만큼이다.

 

M1과 M2가 모두 포화영역에서 동작한다면, M2는 소스팔로워로서 동작하여, Vx는 Vb를 이용하여 정의 가능하다. 

Vx = Vb - VGS2 -----------(1)

 

1) M1 sat. 조건

VGS1 - Vth1 < Vx -----------(2)

 

Vx가 M1을 saturation 시키는 끝자락 최소 전압일 때 

2) M2 sat 조건

Vb - Vth2 <  Vout

Vx + VGS2 - Vth2 < Vout  ((1)식 이용)

VGS1 - Vth1 + VGS2 - Vth2 < Vout  ((2)부등식 이용)

 

따라서 두 소자를 sat.시키기 위한 최소 출력전압은 M1 및 M2 과구동 전압의 합. 

M2가 M1위에 " 쌓였다(stacked) " 라는 표현이 적절해 보인다.

 

 

 

 

캐스코드 구조는 전압의 헤드룸 측면에서는 손해인듯이 보인다. 

그렇다면 이러한 대가를 치르고 어떤 이점을 가져다줄까? 

다음 포스팅에서 확인하세요~~ ^^