25. MOSFETの増幅回路

MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）を使用した増幅回路は、アナログ信号を増幅するための回路である。MOSFETは、増幅やスイッチングなどの用途に広く使用されている。以下に、MOSFETを使用した基本的な増幅回路として、MOSFETのソース端子を共有するソース接地増幅回路を考える。入力信号はゲート端子に接続され、出力信号はドレイン端子から取り出される。また、ソース端子にバイアス電圧をかける。

MOSFETソース接地増幅回路

図１は、「MOSFETの$V_{DS}-I_D$特性（nチャネルエンハンスメント形）」である。MOSFETはその構造から、ゲートへの流入電流は極めて小さい。この利点を生かすため、MOSFETは、多くの場合、ソース接地で使用される。つまり、ゲートを入力とし、ドレインを出力として、ソースを入出力の共通端子（接地端子）とする。図２が、「MOSFETの増幅回路」の構成例である。
図２において、FETの入力インピーダンスは、$\infty$と見なせるから、ゲート電圧$V_{GS}$は、 $$V_{GS} = \frac{R_{G2}}{R_{G1} + R_{G2}} V_{DD}$$ となる、これが、ゲートのバイアス電圧、つまり動作点の電圧$V_{GSQ}$となる（図１の赤点）。また、ドレイン電流$I_D$は、 $$V_{DD} - R_D I_D = V_{DS} \\ I_D = - \frac{1}{R_D} V_{DS} + \frac{1}{R_D} V_{DD}$$ という式で表せる。この式を直流負荷線という（図１の青線）。動作点を$V_{GSQ}$を満たす$V_{DSQ}$と$I_{DQ}$に設定すると、ドレインに接続する抵抗$R_D$を $$R_D= \frac{V_{DD} - V_{DSQ}}{I_{DQ}} \;[\Omega]$$ と設計できる。

増幅動作では、入力信号電圧$v_i$がカップリングコンデンサ$C_1$を介してゲートに加わるので、動作点近傍でのゲート電圧$V_{GS}$は、$V_{GS} = V_{GSQ} + v_i$となる。その結果、ドレイン電流$I_D$は、$I_D = I_{DQ} + i_d$となる。従って、ドレイン電圧$V_{DS}$は、 $$V_{DS} = V_{DD} - R_D(I_{DQ} + i_d)\;[V]$$ である。出力電圧$v_o$は、カップリングコンデンサ$C_2$を介して、 $$v_o = -R_{AL} i_d \;[V] \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\; R_{AL} = \frac{R_D R_L}{R_D + R_L}$$ と得られる。負号（$-$）は、$v_i$に対して、$v_o$が逆相になることを表している。

ソース接地増幅回路の等価回路

図２から交流回路を求めるには、カップリングコンデンサ$C_1,C_2$と直流電圧源$V_{DD}$を短絡する。これより、図３「ソース接地増幅回路の交流回路」が得られる。このとき、 $$v_{gs} = v_i \;\;\;\;\;v_o = -R_{AL} i_d$$ である。
この交流回路において、MOSFETの部分を等価回路に置き換えると、図４「ソース接地増幅回路の等価回路」が得られる。$v_{gs} = v_i$であり、$J=g_m v_{gs}$なので、出力電圧$v_o$は、 $$v_o = - g_m v_i \frac{r_d R_{AL}}{r_d + R_{AL}}$$ となる。従って、電圧増幅度$A_v$は、 $$A_v = \frac{v_o}{v_i} = - g_m \frac{r_d R_{AL}}{r_d + R_{AL}}$$ である。負号（$-$）は、$v_i$に対して、$v_o$が逆相になることを表している。

ソース接地増幅回路の動作(LTspice)

図５は、MOSFETソース接地増幅回路のLTspice回路図である。ゲートのバイアス電圧$V_{GS}$は、 $$V_{GS}=\frac{R_{G2}}{R_{G1} + R_{G2}} V_{DD} = 1.67 \;V$$ である。入力電圧$v_i$は、振幅 10 mV、周波数 1kHzの正弦波である。
図６がシミュレーション結果で、出力電圧$v_o$は、振幅 700 mV、周波数 1 kHzの正弦波で、入力電圧とは逆相となっている。