第10回: MOSアナログ回路の演習

(前回、時間の関係で、MOSトランジスタの小信号等価回路のうち、 電圧源を使った表記に触れられませんでしたが、今回はそれを使います)

今回は、MOSトランジスタを使った回路、特に増幅回路について 考えていくことにしましょう。

ソース接地増幅回路



この図のようなMOSトランジスタを使った回路を ソース接地増幅回路と呼びます。 この回路のうち、R1, R2とC1, C2は、MOSトランジスタの 適切な動作点を設定するためのもので、 バイアス回路と呼びます。 逆に言えば、これらの素子によって、MOSトランジスタは 適切な動作点を中心に動作をする(入力・出力が振れる)ので、 あとはその変化分に対する小信号等価回路を考えればよいわけです。

動作点が適切に設定されているという条件のもとでは、 入力・出力の変化分は、この小信号等価回路を使って 求めることができます。

まずは電圧利得(増幅率)Av = vo/viを求めてみましょう。 といっても話は簡単で、次のような式が成り立ちます。

以上から、電圧利得Avは次のようになります。 ちなみに入力には電流が流れませんから、 入力インピーダンスZi=∞となります。

また出力インピーダンスZoは、vi=0としたときのvo/idのことでしたから、

となります。

ソース接地回路と負荷線

さきほどのソース接地回路では、 MOSトランジスタのゲート電圧VGSは、 電源電圧VDDがR1とR2で分圧された VDD・R2/(R1+R2)を中心に、viだけ変化するように与えられますが、 これが動作点であるわけです。

このとき、ドレイン電圧VDS=Voは、 ドレイン電流IDと次のような関係を満たすことになります。

このグラフは、MOSトランジスタのVDSとIDの 関係のグラフ(静特性)上では、傾きが-1/RLの直線となります。 (ちなみに(VDS, ID) = (VDD, 0), (0, VDD/RL)の 2点を通る直線) このような直線を負荷線と呼びますが、 これはどのようなときでもVDSやIDが 満たすべき関係式ですから、言い方をかえれば、 実際のVDSやIDは、 この直線上の点しか取り得ません。

そこでVGSが、動作点を中心に変化した場合に VDSやIDがどのように変化をするか、 ということは、この静特性のグラフと負荷線との交点から 求められるわけです。

ドレイン接地増幅回路



この図のようなMOSトランジスタを使った回路を ドレイン接地増幅回路と呼びます。 この回路のうち、R1, R2, C1, C2は、MOSトランジスタの 適切な動作点を設定するためのバイアス回路です。

[演習]
このドレイン接地回路の小信号等価回路を求め、 電圧利得Avと入力インピーダンスZi、出力インピーダンスZoを 求めてみてください。
(解: 以下のとおり、vo=μRL/(RL++rd)vgs, vgs=vi-voから、 Av = vo/vi = μRL/{rd + (1+μ)RL}、 Zi = ∞、Zoは、vi=0とするとvgs=-voとなり、 またid = (μvgs - vo)/rdなので、 Zo = vo/id = rd / (1 + μ)。 ちなみに一般には(1+μ)RL >> rdなので、ほぼAv=1となる。 このような回路をソースフォロアとも呼ぶ)

この回のソボクな疑問集
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