공통소스 증폭기 (Common-Source Amplifier)
쉽게 풀면
트랜지스터의 세 단자 가운데 소스를 공통 기준으로 고정하고, 게이트에 작은 신호를 넣으면 드레인에 흐르는 전류가 그에 비례해 변합니다. 이 전류 변화가 부하를 지나면서 큰 전압 변화로 바뀌므로 전압이 증폭됩니다. 입력이 올라가면 출력이 내려가는 반전 동작을 하며, 게이트로는 전류가 거의 흐르지 않아 입력 임피던스가 매우 높습니다.
왜 중요한가
거의 모든 아날로그 증폭 회로가 이 단을 기본 벽돌로 삼아 만들어지므로, 이득·대역폭·잡음을 논하는 출발점이 됩니다. 디지털 회로의 인버터도 구조상 같은 배치이기 때문에, 이 단을 이해하면 아날로그와 디지털 회로를 같은 언어로 설명할 수 있습니다. 논문에서 증폭단의 이득을 트랜스컨덕턴스와 출력 저항의 곱으로 적는 관행이 바로 여기서 나옵니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
저항 대신 전류원을 부하로 써서 출력 저항을 높이면 같은 구조로도 큰 이득을 얻을 수 있음을 보여줍니다.
조금 더 깊게 보면
소신호 전압 이득은 트랜스컨덕턴스에 출력 부하 저항을 곱한 값의 음수로 근사되며, 부하로 저항 대신 전류원을 쓰면 출력 저항이 커져 이득이 크게 높아집니다. 소스에 저항을 달면 이득은 줄지만 선형성과 소자 편차에 대한 강건성이 좋아지는데, 이를 소스 디제너레이션이라고 부릅니다. 고주파 특성은 게이트와 드레인 사이 기생 커패시터가 이득 배만큼 크게 보이는 현상에 지배되며, 이것이 캐스코드 구조를 쓰는 이유입니다.
주의할 점
출력 전압이 커지면 트랜지스터가 포화 영역을 벗어나 이득이 급격히 떨어지므로, 얻을 수 있는 이득과 신호 진폭은 서로 맞바꿔야 합니다. 같은 소자를 다른 단자를 기준으로 쓰는 공통게이트·공통드레인 구성과는 입출력 임피던스 성질이 정반대라는 점을 혼동하면 안 됩니다.