인프런 커뮤니티 질문&답변

안녕하세요, 답변 남겨드립니다.

1) AMP는 BGR과 달리 순차적인 방식이 아닌가요? 시뮬레이션 중심 설계 방식이 맞는가요?

증폭기(Amplifier) 설계는 Bandgap Reference(BGR) 설계 방식과는 명확히 구분됩니다. BGR은 비교적 폐쇄적인 구조로, 목표 전압(예: 1.2V)을 만들기 위해 PTAT(current proportional to absolute temperature)와 CTAT(current complementary to absolute temperature) 성분을 합산하는 구조로 구성되며, 각 블록의 수학적 모델이 확립돼 있어 순차적으로 파라미터를 설정하는 방식이 유효합니다. 즉, 전류 밀도, 저항 비율, BJT 면적비 등의 설계 파라미터를 정해주면 원하는 출력 특성을 수렴시키는 과정이 가능합니다.

반면, 증폭기(특히 OPAMP)는 다단 증폭과 내부 보상(compensation), 대역폭(GBW), 잡음, Slew Rate, 위상 여유 등 다차원적 스펙이 상호 영향을 주는 구조적 복잡도를 가지고 있습니다. 따라서 초기 파라미터를 순차적으로 설정하는 방식은 곧 설계 자유도를 제한하게 되며, 이로 인해 목표 성능을 충족하지 못하는 경우가 빈번합니다.

이 때문에 실제 산업 현장이나 대학원 수준의 설계에서는 ‘탑다운-바텀업 혼합 접근 방식’을 사용합니다. 회로의 최종 구조(예: Folded Cascode, Telescopic, Miller 보상 Two-Stage)를 먼저 정의한 후, 각 스테이지의 설계 자유도를 확보한 상태에서 시뮬레이션 기반의 파라미터 트레이딩을 반복적으로 수행합니다. 예를 들어, 이득과 출력 저항 간의 관계, gm/ID 비율, 출력 스윙과 안정성 간의 충돌 관계 등을 동시적으로 고려하며, 성능 최적점을 탐색하는 방식입니다.

또한, 최근에는 gm/ID methodology가 널리 사용되고 있습니다. 이 방식은 트랜지스터의 동작점을 전류 효율 vs 속도라는 설계 축에서 정량화할 수 있는 매우 강력한 접근법입니다. gm/gds, w/ID, gm/ID 등의 플롯을 미리 작성해두고, 각 트랜지스터가 어느 영역에서 동작해야 목표 스펙(Gain, BW, Noise 등)을 만족하는지를 예측한 후, 이후 시뮬레이션으로 fine-tuning하는 것이 일반적입니다.

2) Differential 입력 시 왜 ±AC가 아니라 AC 1, AC X와 같이 주는가?

Differential amplifier의 small-signal AC 분석에서는 입력 조건을 어떻게 주느냐에 따라 해석 방식이 달라집니다. 이상적인 경우라면, differential mode 분석을 위해 두 입력에 Vcm ± Vin 형태로 주고, Vin에 대해 AC ±1V를 인가하면 differential input이 2Vin이 되며 gain 계산이 직관적으로 됩니다. 즉, 출력 전압의 AC 성분을 2로 나누면 gain을 구할 수 있는 방식입니다.

하지만 시뮬레이션 상에서는 이러한 입력을 꼭 ±1로 줄 필요는 없습니다. 중요한 것은 두 입력 사이의 전압차, 즉 differential signal의 크기입니다. 따라서 한쪽에만 AC 1을 주고, 다른 쪽은 동일한 DC 전압만 유지하거나 floating으로 두어도 시뮬레이터는 그 차이에 따라 회로의 small-signal 응답을 계산할 수 있습니다.

실제로, "1.2 / AC 1, 1.2 / AC X"와 같이 설정하면 differential input이 AC 1로만 주어지는 것으로 해석되며, 이로 인해 출력의 AC 반응은 해당 Vin에 대한 이득으로 해석됩니다. 중요한 것은 differential gain만 보고자 할 경우에는 위상차만 존재하면 되므로, ±1을 주는 방식이나 AC 1 / AC 0을 주는 방식이나 본질적으로 동일한 분석이 가능합니다.

또한 이러한 방식은 후속 분석 예를 들어 differential-mode gain, common-mode rejection ratio(CMRR), PSRR 등을 분리해서 분석할 때 유리합니다. 특히 CMRR 분석 시에는 두 입력에 동일한 AC를 주는 common-mode 조건으로 설정하고, differential gain 분석 시에는 위상 반대로 줌으로써 전체 응답을 확인하는 것이 보편적입니다.

3) ICMR이 Input Range로 봐도 되는가?

ICMR(Input Common-Mode Range)은 실제로 differential amplifier의 입력 가능 범위로 해석해도 무방합니다. 다만, 이를 단순히 입력 range로만 해석하기보다는, 회로 내 주요 트랜지스터들이 어느 범위의 입력에서 ‘정상적인 증폭 조건’을 유지할 수 있는지를 판단하는 기준이라고 보는 것이 더 정확합니다.

예를 들어, Telescopic 구조에서는 입력 트랜지스터가 NMOS일 경우 Vcm이 너무 낮으면 cutoff되고, 너무 높으면 current mirror 위쪽 트랜지스터가 saturation을 벗어나게 됩니다. 이처럼 입력 전압이 너무 높거나 낮을 경우, 증폭기 내부의 bias chain이 무너져버리며, 이때부터는 회로가 ‘증폭기’로서 동작하지 않게 됩니다.

또한 Vcm이 ICMR을 벗어나면 다음과 같은 문제가 발생합니다.

• 입력 쌍 트랜지스터가 cutoff 또는 triode에 진입하면서 gm이 비선형적으로 급변

• 미러 트랜지스터가 포화 영역을 벗어나면서 출력 임피던스 급감

• 회로 내 bias 전류가 의도한 경로로 흐르지 않게 되며, 게인과 BW 모두 불안정하게 변화

따라서 ICMR은 단순히 "입력 전압의 허용 범위"가 아니라, "회로 전체가 선형 증폭기로 유지될 수 있는 입력 조건"이라고 해석해야 하며, 실무에서는 이 범위를 측정하여 데이터시트에 Vcm range 혹은 Input Voltage Range로 기재하게 됩니다.

4) Closed-loop gain이 감소하면 BW는 증가하고, Phase Margin도 증가하는가?

이 질문은 feedback amplifier의 주파수 응답 특성과 안정성에 대한 핵심 이슈입니다. 일반적으로 feedback이 적용된 OPAMP 회로에서는 Gain Bandwidth Product(GBW)가 고정되어 있다고 가정할 수 있습니다. 이 말은 곧 open-loop gain이 작아질수록, 또는 closed-loop gain이 낮아질수록 시스템의 대역폭은 넓어진다는 의미입니다.

예를 들어, GBW가 10MHz이고, closed-loop gain을 10배로 설정하면 대역폭은 1MHz 수준이 됩니다. 이를 5배로 낮추면 BW는 2MHz로 증가합니다. 이는 이상적인 1극 시스템에서는 정확히 적용되며, 실제로도 상당수의 단일 극점 시스템에서는 근사적으로 유지됩니다.

한편, Phase Margin은 gain crossover frequency에서의 위상 여유를 의미하는데, gain이 낮아질수록 루프 내 전달함수의 위상지연이 줄어들어, PM이 증가하는 방향으로 작용하게 됩니다. 특히 Miller compensation을 사용하는 2단 구조에서 이러한 경향은 더욱 분명히 나타나며, 저이득 앰프일수록 루프 안정성이 자연스럽게 향상되는 구조가 됩니다.

다만, 주의할 점은 compensation이 미흡하거나 다중 극점 시스템일 경우에는 오히려 위상 여유가 감소할 수도 있으며, 특히 추가적인 비선형성이나 parasitic pole의 영향을 무시하면 안 됩니다. 따라서 실무에서는 이론적 분석 이후 반드시 시뮬레이션을 통한 loop-gain, Bode plot, transient overshoot, step response 등을 종합적으로 분석하여 안정성을 검증해야 합니다.