공통 게이트

일렉트로닉스에서 공통 게이트(common gate) 증폭기는 세 가지 기본 단일 스테이지 장효과 트랜지스터(FET) 증폭기 토폴로지 중 하나로, 일반적으로 전류 버퍼 또는 전압 증폭기로 사용된다. 이 회로에서 트랜지스터의 소스 단자는 입력 역할을 하고, 드레인은 출력이며, 게이트는 일부 DC 바이어스 전압(즉, AC 접지) 또는 "공통"에 연결된다.

그림 1: 기본 N-채널 공통 게이트 회로 (바이어스 상세 내용은 생략); 전류원 I_D는 액티브 부하를 나타냄; 신호는 노드 V_in에 인가되고 출력은 노드 V_out에서 취함; 출력은 전류 또는 전압일 수 있음

유사한 접합형 트랜지스터 회로는 공통 베이스 증폭기이다.

응용

이 구성은 공통 소스 또는 소스 팔로워보다 덜 자주 사용된다. 그러나 공통 소스 증폭기와 결합하여 캐스코드 구성을 만들 수 있다. 예를 들어 CMOS RF 수신기에서 특히 FET의 주파수 한계 근처에서 작동할 때 유용하다. 임피던스 매칭의 용이성과 잠재적으로 더 낮은 노이즈 때문에 바람직하다. 그레이와 마이어^[1]는 이 회로에 대한 일반적인 참고 자료를 제공한다.

저주파 특성

그림 2: 노턴 신호원에 의해 구동되는 증폭기의 소신호 저주파 하이브리드-파이 모델

저주파 및 소신호 조건에서 그림 1의 회로는 그림 2의 회로로 나타낼 수 있으며, 여기서 MOSFET에 대한 하이브리드-파이 모델이 사용되었다.

그림 3: 출력 저항을 찾기 위해 출력에 테스트 소스 i_x가 있는 하이브리드 파이 모델

증폭기 특성은 아래 표 1에 요약되어 있다. 근사식은 (일반적으로 정확한) r_O >> R_L 및 g_mr_O >> 1의 가정을 사용한다.

표 1	정의	표현식	근사식
단락 전류 이득	${\displaystyle {A_{i}}={i_{\mathrm {out} } \over i_{\mathrm {S} }}{\Big |}_{R_{L}=0}}$	${\displaystyle \ 1}$	${\displaystyle \ 1}$
개방 회로 전압 이득	${\displaystyle {A_{v}}={v_{\mathrm {out} } \over v_{\mathrm {S} }}{\Big |}_{R_{L}=\infty }}$	${\displaystyle {\begin{matrix}((g_{m}+g_{mb})r_{\mathrm {O} }+1){\frac {R_{L}}{r_{O}+R_{L}}}\end{matrix}}}$	${\displaystyle \ g_{m}R_{L}}$
입력 저항	${\displaystyle R_{\mathrm {in} }={\frac {v_{S}}{i_{S}}}}$	${\displaystyle {{R_{L}+r_{O}} \over {(g_{m}+g_{mb})r_{O}+1}}}$	${\displaystyle {\begin{matrix}{\frac {1}{g_{m}}}\end{matrix}}}$
출력 저항	${\displaystyle R_{\mathrm {out} }={\frac {v_{x}}{i_{x}}}}$	${\displaystyle \ (1+(g_{m}+g_{mb})r_{O})R_{S}+r_{O}}$	${\displaystyle (g_{m}r_{O})R_{S}}$

일반적으로, 전체 전압/전류 이득은 부하 효과로 인해 위에 나열된 개방/단락 회로 이득보다 실질적으로 작을 수 있다(소스 및 부하 저항에 따라 다름).

폐쇄 회로 전압 이득

입력 및 출력 부하를 고려하면, 공통 게이트의 폐쇄 회로 전압 이득(즉, 부하 R_L과 저항 R_S를 가진 소스가 모두 연결된 이득)은 다음과 같이 쓸 수 있다.

${\displaystyle {A_{\mathrm {v} }}\approx {\begin{matrix}{\frac {g_{m}R_{\mathrm {L} }}{1+g_{m}R_{S}}}\end{matrix}}}$ ,

이는 다음과 같은 간단한 제한 형태를 가진다.

${\displaystyle A_{\mathrm {v} }={\begin{matrix}{\frac {R_{L}}{R_{S}}}\end{matrix}}\ \ \mathrm {or} \ \ A_{\mathrm {v} }=g_{m}R_{L}}$,

g_mR_S가 1보다 훨씬 크거나 훨씬 작은지에 따라 달라진다.

첫 번째 경우 회로는 전류 팔로워 역할을 하는데, 이는 다음과 같이 이해할 수 있다. R_S >> 1/g_m일 때 전압원은 노턴 전류 v_Thév / R_S와 병렬 노턴 저항 R_S를 가진 노턴 등가로 대체될 수 있다. 증폭기 입력 저항이 작기 때문에 드라이버는 전류 분배에 의해 v_Thév / R_S 전류를 증폭기에 공급한다. 전류 이득은 1이므로 동일한 전류가 출력 부하 R_L에 전달되고, 옴의 법칙에 따라 v_out = v_ThévR_L / R_S의 출력 전압이 생성되며, 이는 위 전압 이득의 첫 번째 형태이다.

두 번째 경우 R_S << 1/g_m이며 소스의 테브난 표현이 유용하며, 전압 증폭기의 전형적인 이득의 두 번째 형태를 생성한다.

공통 게이트 증폭기의 입력 임피던스가 매우 낮기 때문에 종종 캐스코드 증폭기가 대신 사용된다. 캐스코드는 전압 드라이버와 공통 게이트 회로 사이에 공통 소스 증폭기를 배치하여 R_S >> 1/g_m인 드라이버를 사용하여 전압 증폭을 가능하게 한다.

같이 보기

• 전자 증폭기 변수
• 사단자 회로망
• 공통 드레인
• 공통 소스
• 공통 베이스
• 공통 이미터
• 공통 컬렉터