[Harman 세미콘 아카데미] 33일차 - PSpice(FET, Switching Citcuit)

[FET]

 

FET

 

전계 효과(Field Effect)

: 트랜지스터에 인가되는 전압에 의해 전계가 형성되고,

  전계의 세기에 의해 전류가 제어(조절)된다.

 

FET(Field Effect Trassistor)

: 입력 전압에 의해서 트랜지스터의 두 단자 사이에 흐르는 전류가 조절되는 소자

  Source의 캐리어가 Gate 전압에 따라 Drain쪽으로 이동하면서 전류가 흐르게 된다.

 

BJT와 FET의 차이점
BJT	전류(Ib)로 출력 전류(Ic)를 제어	양극성 (전자와 정공이 같이 전류에 기여)
FET	전압으로 출력 전류를 제어	단극성 (전자 또는 정공만 전류에 기여)

 

FET의 특징

   ¤ High input Impedance

       : FET는 입력 임피던스가 높아서, 입력 신호가 회로에 영향을 거의 미치지 않고 전달된다.

   ¤  Low Noise

       : FET는 Noise가 적은 특징이 있어, 앰프 등의 증포기로 많이 사용된다.

   ¤ 에너지 효율

        : MOSFET 기반의 FET는 전압이 높으면 소비 전력이 거의 없으며,

         이로 인해 에너지 효율이 뛰어나다.

    ¤  높은 전류 처리 능력

        : IGBT는 높은 전류 처리 능력을 가지고 있어, 대용량 전력 회로에 사용된다. 

 

 

FET의 종류

    ① JFET

        : pn 접합을 이용하여 전하를 제어하는 FET

          JFET는 pn 접합이 Drain과  Source 사이에 형성되어 있고 Gate 전압에 따라

          pn접합의 전도성이 변화하여 전하의 흐름을 제어한다.

    ② MOSFET

        : MOS 구조를 이용하여 전하를 제어하는 FET

          일반적으로 CMOS(Complementary Metal-Oxaide-Semiconductor) 로직 회로에 주로 사용되며

           MOSFET은 Gate 전압이 Drain-Source 전압에 따른 채널의 전도도를 조절하여 전류를 통제한다.

    ③ IGBT

        : MOSFET의 게이트 구조와 양극성 트랜지스터(BJT)의 케이스 구조를 결합한 FET

          IGBT는 높은 전압 및 전류를 다루는데 적합하며,

          전력변환기, 모터 제어 및 고출력 전자 기기 등에 널리 사용된다.

 

 

Bias point(동작점) 찾기

 

각 Part의 역할

bias mode로 simulation

Vgs = 2.5 - 0.16 = 2.34V

FET만 빼서 IV_curve 생성

load line 적용 ------> : 0.806mA

Rd' = 6k + 0.2k = 6.2k

5V = 6.2k * Id

Id ≒ 0.806 mA

 

Vgs = 2.4V니까, 해당 라인은 switch 영역에 포함된다.

따라서 증폭 기능을 할 수 없음.

 

증폭 기능으로 사용하기 위해서는

위 회로에서 R2값을 낮춰 Vgs를 낮춰주면 된다.

Vgs = 1.85V인 Curve에 맞춰 세팅하면 적당하다.

Gate 저항을 조절하여, Vgs 낮춤.

활성 영역(Seturation mode)에 포함되므로 증폭 기능을 한다.

<gain 확인을 위한 AC sweep>

증폭률은 약 9배, VDB로 찍으면 약 19dB정도 나온다

 

※ 전압 변환의 다양한 표현 방식 (VdB와 Volt로 알아보기)

1. 전압 차이를 데시벨로 표현하는 VdB 방식

    : "VdB"는 데시벨(dB)로 전압의 상대적인 크기 차이를 나타낸다.

      데시벨은 로그 스케일로 측정되며, 로그의 밑(base) 값이 10인 경우

      전압 값의 비율에 로그를 취한 뒤 20을 곱해주어야 하고.

      이로 인해 두 전압 값의 비율이 데시벨로 표현된다.

      V2는 두 전압 중 가장 큰 값이고, V1은 두 전압 중 작은 값이다.

      VdB로 전압 값을 표현하면 상대적인 전압 크기 차이를 직관적으로 파악할 수 있다.

 

2. 전압 값을 Volt 단위로 변환하는 방법

    : 전압 값을 "Volt" 단위로 표기하는 경우에도 데시벨로 변환할 때 로그의 밑(base) 값은

      10이어야 한다. 따라서 V2와 V1의 비율을 10 기준으로 로그를 취해줘야 하고

      이로 인해 두 전압 값의 비율이 데시벨로 표현된다.

      전압을 Volt로 표기하면 절대적인 전압 크기를 직관적으로 이해할 수 있다.

 

3. 로데시벨(Reduced Decibel, RDB) 변환에서 20과 10의 차이 이해하기

     : VdB와 Volt로 표현하는 것의 차이는 로그의 밑 값이 10인 경우에 따라서 생기는데,

       이는 V2와 V1의 비율을 각각 20과 10을 곱하여 뎃시벨로 변환하는 방법의 차이이다.

       이로 인해 VdB와 Volt로 각각 다른 방식의 상대적인 전압 차이를 정확히 표현할 수 있다.

       <예시>

       V2 = 10V, V1 = 3V  일 때, 

       ① VdB로 변환 : VdB = 20 * log(10 / 3) ≒ 10.458 dB

       ② Volt로 변환 : Volt = 10^(VdB / 20) = 3.33(약 3배)

 

 

<Gm 구해보기>

gm = dId / dVgs = (2.4mA - 0.8mA) / 0.1V = 0.006

※ gm(전도도)

: 전도도 증가(gain of the channel)를 나타내는 매개변수로,

  소자의 입출력 특성을 설명하는 중요한 파라미터이다.

  gm은 gain 또는 전도도(Transconductance)라고도 불리며, 계산 방법은 다음과 같다.

  gm = Id / |Vgs - Vth|

• gm은 전도도(gain of the channel)를 나타내는 값
• ID는 FET의 드레인(Drain) 전류.
• VGS는 게이트-소스 간의 전압
• VTH는 스레숄드 전압(Threshold Voltage)으로, FET이 동작하기 시작하는 전압

 

 

 

[Switching Circuit]

 

스위칭 회로에서 Source측에 저항을 달면, 전압 강하가 발생하여 Ids가 감소하게 된다.

따라서 스위칭 역할을 제대로 수행할 수 있는지 장담 못하게 되기 때문에 저항은 절대 달지 말 것.

 

MOSFET Switching Application

Input

NMOS와 PMOS의 출력이 입력 신호에 대해 반전되는 것을 관찰할 수 있다.

NMOS Vto = 2V, PMOS는 Vto = -2V이고 입력 전압이 5V이므로 정상적인 스위칭 동작을 한다.

(Vto : Threshold Voltage, FET이 전기적으로 동작하기 시작하는 전압)

 

MOSFET은 Gate가 회로적으로 Floating되어 있어, Gate 측의 입력 저항이 ∞이다.

따라서 Gate측 저항(Rg(R3))값에 무관하게 입력 전압은 5V가 다 걸린다. 

 

 

PNP/NPN Transistor를 이용한 DC Switching

 

 

 

PNP(Q1) Tr은 메인 부하 전류를 제어하는 역할을 하며,

NPN(Q2) Tr은 Q1을 제어하는 Tr이다.

따라서 전류 용량을 키우려면, Pass Tr인 PNP(Q1)을 대용량 Type으로 사용하면 된다.

 

cf) 저항 R2를 생략할 경우,

     ▶ NPN Tr인 Q2가 Off된 경우, Q1의 베이스가 Floating 상태가 된다.

     ▶ 오동작 발생 확률 증대, 외부 Noise에 극히 취약함.

     ▶ 이를 방지하기 위해 Pull_up 역할을 하는 저항 R2 필요

 

 

Transistor & MOSFET Reset 회로

 

 

 Tr 방식과 MOSFET 방식은 거의 동일한 결과를 보이며,

C와 R의 시정수 값에 따라 거의 유사한 특성을 만들 수 있다.

위 회로는 Active Low Reset system으로 Active High Reset 도 있다.

회로 제작 시, 아주 정밀한 회로가 아니라면 Tr방식을 적용하여도 문제가 없다.

 

MOSFET 인버터 스위칭 회로 & Open Collector IC

 

스위치로 동작한다.

풀업 저항 빼면, 출력이 이상하게 나온다.

7404 IC는 일반적인 Not gate로 출력이 정상적으로 나오며,

7405는 출력이 Open Collector type으로 반드시 Pull-up 저항을 구성해야 정상적으로 출력된다.

CMOS Not Gate는 위의 PMOS-NMOS회로라고 보면 된다.

Open Collector 방식은 IC간 Logic 레벨이 다른 경우 Interface가 용이하다는 장점이 있다.

 

 

Pull-up / Pull-down 저항

 

 

Pull-up 저항

 : 디지털 회로에서 High를 유지하기 위해 단자와 Vcc 사이에 접속하는 저항

 

Pull-down 저항

 : Low를 유지하기 위해 단자와 GND 사이에 접속하는 저항

 

위와 같은 저항의 연결없이, 단자에 직접 Vcc와 GND를 연결할 경우,

과전류에 의한 회로 오동작의 우려가 있으며

스위치만 구성하여 제어 논리(0 또는 1)를 생성하면 Floating(Z)되어 Noise에도 취약하다.

또한 Pull-up/Pull-down 저항은 n[kΩ] 정도가 적당하다.