캐스코드 증폭기 (Cascode Amplifier)
쉽게 풀면
트랜지스터 하나로 증폭하면 입력과 출력 사이에 있는 작은 기생 커패시터가 이득만큼 부풀려 보이는 현상 때문에 고주파 특성이 나빠집니다. 캐스코드는 증폭 트랜지스터의 출력 위에 전압 완충 역할을 하는 트랜지스터를 한 층 더 얹어, 아래 트랜지스터가 보는 출력 전압 변화를 아주 작게 눌러 줍니다. 그 결과 기생 커패시터가 부풀려지지 않아 대역폭이 넓어지고, 동시에 출력 저항이 커져 직류 이득도 높아집니다.
왜 중요한가
집적회로용 증폭기에서 이득과 대역폭은 보통 맞바꿔야 하는 관계인데, 캐스코드는 이 상충을 상당히 완화해 줍니다. 그래서 연산증폭기의 이득단, 저잡음 증폭기의 입력단, 전류 거울의 출력단 등 성능이 중요한 자리에 거의 기본으로 채택됩니다. 회로 논문에서 텔레스코픽이나 폴디드라는 수식어가 붙은 구조도 모두 이 개념의 변형입니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
전압 여유가 부족한 저전압 공정에서 캐스코드의 장점을 살리기 위해 변형 구조를 쓴 사례입니다.
조금 더 깊게 보면
공통소스단은 전압 이득을 담당하고 공통게이트단은 전류를 그대로 받아 출력으로 전달하면서 아래 소자의 드레인 전압을 거의 고정시킵니다. 전체 출력 저항은 두 트랜지스터의 출력 저항과 위 트랜지스터의 트랜스컨덕턴스의 곱에 가까워져 단일단보다 훨씬 커지고, 이득도 그만큼 높아집니다. 다만 두 소자를 수직으로 쌓으므로 필요한 전압 여유가 늘어나는데, 이를 피하려고 위 단을 반대 극성 소자로 접어 배치하는 폴디드 캐스코드가 저전압 공정에서 널리 쓰입니다.
주의할 점
캐스코드는 이득을 높이지만 출력 전압이 움직일 수 있는 범위를 좁히므로, 공급 전압이 낮은 최신 공정에서는 그 대가가 큽니다. 공통소스 증폭기가 기본 증폭단 자체를 가리키는 데 비해, 이 항목은 그 위에 한 단을 더 쌓은 조합 구조를 가리킵니다.