트랜지스터의 소신호(Small Signal) 모델과 대신호(Large Signal) 모델에 대해 설명해 보세요.

소신호와 대신호 모델에 대해서 설명하기 위해, 먼저 트랜지스터의 등가회로에 대해 알아야 한다. 트랜지스터의 등가회로는 트랜지스터의 복잡한 동작을 회로적으로 풀어보기 위한 시도로서, 트랜지스터의 구성을 아래와 같이 대체하는 것이다.

① 선로가 길게 분포한 경우 인덕터로 대체

② 금속과 금속 사이에 유전체가 존재하면 캐패시터로 대체

③ 손실이 발생하는 부분은 저항으로 대체

이와 같은 법칙에 근거하여 회로를 만들게 되면, 대부분의 반도체는 매우 작기 때문에 인덕턴스 부분은 거의 없고 대부분 캐패시터가 주를 이루게 된다. 여기에 증폭을 의미하는 전류/전압원을 적절한 위치에 넣으면 아래와 같이 등가회로가 만들어진다.

트랜지스터의 소신호 모델은 정해진 바이어스 조건 내에서 동작하는 간단한 회로로 구현된다. 소신호 모델은 대신호 모델을 보다 간략화한 것으로 이해할 수 있다. 소신호 트랜지스터 모델을 이용하는 경우는 주로 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)나 RFIC(Radio-frequency Integrated Circuit)을 제작하는데 사용된다. 특히 MMIC의 제작에 대해서는 트랜지스터 여러개를 묶어서 사용하기 때문에 소신호 등가회로 모델을 사용하는 것이 보다 편리하다. 소신호 모델의 경우 신호가 작기 때문에 완전히 선형적인 동작을 하고 있다는 것을 가정한다. 따라서 대신호 모델에 비해서 소신호 모델에서는 비선형성을 의미하는 기생전류 부분이 빠져있게 된다. 하지만 실제로 회로를 설계할 때는 소신호 등가회로 모델보다는 S파라미터 파일(S2P)를 이용해서 설계하는 경우가 더 많다. S파라미터 파일은 정해진 바이어스 조건에서의 해당 트랜지스터의 측정치로서 실제로 가장 근접한 데이터로 설계가 가능하지만, 정해진 바이어스 조건이 변동되는 경우 새로운 S파라미터 파일을 구해야 한다는 점을 유념할 필요가 있다.

FET의 소신호 모델에서는 게이트와 소스 사이의 전압의 작은 변화로 FET의 드레인에서 소스(채널)로의 전류를 제어한다. 이는 gm 값과 관련된 Shockley 방정식이 이용된다.

입력 임피던스는 매우 크므로 입력단의 개방회로로 나타내게 되었고 출력 임피던스는 rd로 나타냈다. 그리고 소신호 Vgs에 의해 전류가 gm ⅹ Vgs 값의 전류가 변화하게 되므로 위의 같은 등가회로가 완성되게 되는 것이다.

한편, 트랜지스터의 대신호 모델이란 바이어스 조건을 바꾸어서 실제로 트랜지스터의 동작특성을 변화시킬 수 있고, 높은 전력레벨이서 변화하는 내부 모델을 반영할 수 있는 모델을 뜻한다. 이와 같은 완벽한 대신호 모델은 실제로는 존재하지 않지만, Power Amp와 정확한 Mixer의 설계 등에 활용된다.

대신호의 경우는 선형 영역( Linear Region, Triode Region)과 포화 영역(Saturation Region)이 있다. 그리고 각 경우에 대한 수식은 아래의 식과 같다.

세 번째의 경우는 드레인과 소스 간의 전압이 2(Vgs-Vth) 보다 매우 작을 때 생기는 현상이다. 이와 같이 대신호의 경우는 세 가지 경우로 나뉜 등가회로가 생긴다.