전류 미러 원리, 같은 전류를 정확히 복제하는 방법

수조 두 개를 나란히 두고, 한쪽 수조의 물이 빠져나가는 양을 다른 수조가 그대로 따라 하게 만든다고 상상해 봅시다. 기준이 되는 수조의 수문을 일정하게 열어 두면, 똑같이 생긴 옆 수조의 수문도 같은 만큼 열려 같은 양의 물을 흘려보내죠.

아날로그 회로에는 이렇게 하나의 기준 전류를 거울처럼 베껴 여러 곳에 똑같이 흘려보내는 회로가 있습니다. 바로 전류 미러이며, 오늘은 전류 미러 원리가 어떻게 전류를 복제하는지, 그리고 그 정확도를 어떻게 끌어올리는지 살펴보겠습니다.

전류를 복제하는 회로, 전류 미러

전류 미러(Current Mirror)는 한쪽에 흐르는 기준 전류를 다른 쪽에 거의 똑같이 복제해 주는 회로입니다. 거울에 비친 모습이 원본을 따라 하듯, 출력 전류가 기준 전류를 따라가죠.

가장 기본적인 형태는 특성이 똑같은 트랜지스터 두 개로 만듭니다. 한쪽 트랜지스터에 기준 전류를 흘려 그 전압 조건을 만들어 두면, 같은 조건을 공유하는 다른 트랜지스터가 같은 전류를 내보냅니다.

두 트랜지스터의 크기 비율을 바꾸면 복제되는 전류의 비율도 함께 조절할 수 있습니다. 기준 전류의 두 배, 혹은 절반을 만들어 내는 식으로 응용 폭이 넓죠.

왜 전류를 거울처럼 베껴야 할까

아날로그 회로의 트랜지스터는 제 성능을 내려면 적정한 바이어스 전류(Bias Current)를 꾸준히 공급받아야 합니다. 이 전류가 흔들리면 증폭기의 이득이나 동작점이 통째로 흔들리죠.

단순히 저항으로 전류를 만들면 될 것 같지만, 저항값은 공정 산포와 온도 변화에 민감해 전류가 들쭉날쭉해집니다. 또 칩 곳곳에 똑같은 전류를 여러 벌 공급하려면 저항만으로는 번거롭고 부정확하죠.

그래서 믿을 만한 기준 전류 하나를 만들어 두고, 그것을 필요한 곳마다 거울처럼 복제해 나눠 주는 방식이 쓰입니다. 하나의 기준을 여러 회로가 공유하니 특성이 서로 잘 맞고, 공정이나 온도가 변해도 함께 변해 균형이 유지됩니다.

전류 미러 원리, 거울처럼 복제되는 과정

전류 미러 원리의 핵심은 두 트랜지스터가 같은 게이트-소스 전압을 공유한다는 데 있습니다. 한쪽 트랜지스터는 게이트와 드레인을 묶어, 흘러드는 기준 전류에 딱 맞는 전압이 저절로 잡히도록 해 둡니다.

포화 영역에서 MOSFET이 흘리는 전류는 게이트-소스 전압으로 거의 결정됩니다. 그래서 이 전압을 옆 트랜지스터의 게이트에 그대로 전달하면, 같은 크기의 트랜지스터는 같은 전류를 내보내게 되죠.

앞서 수조 비유에서 기준 수조의 수문 높이가 옆 수조에 그대로 전해져 같은 물줄기를 만든 것과 똑같습니다. 다만 물탱크와 달리 트랜지스터는 전압 하나로 전류가 정해진다는 점이 다르고, 그래서 두 소자의 특성이 얼마나 닮았느냐가 복제의 정확도를 좌우합니다.

정확도를 떨어뜨리는 요인과 높이는 방법

기준 수조와 옆 수조의 수위가 서로 다르면 같은 수문 높이라도 물줄기가 달라지듯, 두 트랜지스터의 드레인 전압이 다르면 전류도 어긋납니다. 이 어긋남의 주범이 채널 길이 변조(Channel Length Modulation)로, 드레인 전압이 커질수록 전류가 조금씩 더 흐르는 현상입니다.

여기에 두 소자의 문턱 전압이나 크기가 미세하게 어긋나는 미스매치(Mismatch)도 오차를 더합니다. 트랜지스터 두 개를 같은 모양으로 그리면 전류가 완벽히 같아진다고 믿기 쉽지만, 실제로는 이런 요인들 때문에 작은 오차가 늘 남습니다.

그래서 정확도를 높이는 길이 여럿 있습니다. 채널을 길게 만들어 채널 길이 변조의 영향을 줄이고, 두 트랜지스터를 가까이 대칭으로 배치해 미스매치를 줄입니다. 나아가 트랜지스터를 위로 하나 더 쌓은 캐스코드 미러(Cascode Current Mirror)를 쓰면, 출력 쪽 드레인 전압을 일정하게 눌러 주어 복제 정확도가 크게 올라갑니다.

기본 미러와 캐스코드 미러 비교

기본형과 캐스코드형은 정확도와 전압 여유를 맞바꾸는 관계입니다. 둘을 나란히 두면 선택 기준이 분명해집니다.

구분	기본 전류 미러	캐스코드 전류 미러
구조	트랜지스터 두 개	위로 한 단 더 쌓음
출력 저항	상대적으로 낮음	훨씬 높음
복제 정확도	드레인 전압 차에 민감	전압 차 영향 작음
필요한 전압 여유	작음	더 큼

핵심 정리

기준 수조의 수문 높이가 옆 수조로 전해져 같은 물줄기를 만들듯, 전류 미러 원리는 두 트랜지스터가 같은 게이트-소스 전압을 공유해 기준 전류를 그대로 복제하는 데 있습니다. 덕분에 믿을 만한 전류 하나를 칩 곳곳에 균형 있게 나눠 줄 수 있죠.

다만 채널 길이 변조와 소자 미스매치 탓에 복제에는 늘 작은 오차가 따릅니다. 긴 채널과 대칭 배치, 그리고 캐스코드 구조로 이 오차를 다스리는 것이 정확한 전류 미러를 만드는 핵심입니다.

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