Ring Amplifier 기본 개념

학교 과제로 Ring Amplifier를 설계했다. 그래서 Ring Amplifier에 대해 공부했고, 오래 기억하도록 기록하려고 한다. 

(틀릴 수도 있으니 참고만 해주세요)

 

1. 기본 구조

Ring Amplifier 기본 구조

위와 같은 그림처럼 설계하는 것이 기본 구조이다. 

PMOS와 NMOS로 만든 인버터 세 개를 Cascade한 구조이다. 

Ring oscillator로 부터 만들어진 구조라고 한다. 

 

 

2. Ring Amplifier를 사용하는 이유

Ring Amplifier를 사용하는 몇가지 이유가 있다. 

 

① 저전력으로 Gain 증폭 가능

아무래도 트랜지스터로 만들어진 디자인이다 보니 전력을 많이 사용하지 않아도 된다. 

저전력 대비 높은 이득을 가질 수 있는 것이 가장 큰 이유인 것 같다. 

 

② Rail to rail output swing 가능

스윙이 Vdd부터 GND까지 rail to rail로 가능하다. 

스윙을 보존하기 위해 3번째 stage에 있는 인버터는 잘 건드리지 않는 것으로 알고 있다. 

 

③ 높은 Slew rate -> 응답 속도 빠름

링 앰프를 사용한 논문을 보니 응답 속도가 빠른 것이 링 앰프의 장점이라고 한다. 

2번째 stage에 있는 인버터 사이에 데드존을 만들면 응답 속도를 더 빠르게 만들 수 있다. 

(내가 봤던 구조에선 가운데에 스위치드 캡을 넣어서 작은 신호는 출력되지 않게 만들어 slew rate를 높임)

 

 

3. CMOS Inverter

링 앰프를 설계하기 위해선 (당연하지만) 인버터를 먼저 알아야 했다. 

위 구조처럼 디자인된 인버터를 CMOS 인버터라고 한다. 

인버터는 (+)를 넣으면 (-)가 나오고, (-)가 나오면 (+)가 나오는 구조이다. 

 

Vin에 아무것도 인가하지 않으면 ① 그림처럼 동작할 것이다.

Vin에 low가 들어가면, ② 그림처럼 PMOS가 on 되어 Vout에는 high가 출력된다. 

Vin에 high가 들어가면 ③ 그림처럼 NMOS가 on 되어 Vout에는 low가 출력된다. 

Vin	PMOS	NMOS	Vout
low	on	off	high
high	off	on	low

 

이런 CMOS 인버터는 high 혹은 low 상태에서 한쪽 트랜지스터가 항상 off되므로 전력을 거의 소모하지 않는 것이 특징이다. 

 

그렇다면 인버터가 어떻게 앰프가 될 수 있는가?

x축을 Vin, y축이 Vout인 그래프로 표현해 보면 다음과 같다. 

위 그래프에서 기울기는 Vout/Vin 즉, Gain으로 표현될 수 있다.

 

또한, Vdd/2일 때 기울기가 가장 크므로 그때 Gain이 가장 크다는 것을 알 수 있다. 

해당 내용을 참고하여 설계를 진행해야 한다. 

 

4. Cascade 구조 Gain

앰프를 옆으로 여러개를 연결하면 Gain이 더욱 높아진다. 

(참고로 옆으로 연결하는 방식을 cascade, 위로 쌓는 방식을 cascode라고 한다.)

 

인버터 하나의 Gain은 위와 같이 구할 수 있다. 

 

인버터 하나를 삼각형 모양의 symbol로 표현하면 위와 같이 그릴 수 있고,

그때 각각의 전압은 위와 같이 구할 수 있다.

 

앞에서 언급했듯이, V1, V2의 전압을 Vdd/2로 맞출수록 Gain이 높아져 Vout이 크게 나올 것이다. 

 

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실제 설계를 할 땐 위 개념 말고도 기생 커패시터, zero, pole, phase, bandwidth 등 고려할 사항이 아주 많았다..

각각의 파라미터들이 트레이드 오프 관계라 설계하기 힘들었다. (뭐 하나 올리면 뭐 하나가 안 좋아짐)