エンハンスメントMOSFETを使用してMOSFETアンプ回路を構築する方法

MOSFETアンプ

MOSFET アンプは、金属酸化膜半導体技術に基づいています。絶縁ゲート型電界効果トランジスタの一種です。電界効果トランジスタを増幅機能に使用すると、o/p インピーダンスが低くなり、i/p インピーダンスが高くなります。

エンハンスメントMOSFETアンプの回路と動作

MOSFET アンプの回路を以下に示します。この回路では、文字「G」、「S」、「D」はゲート、ソース、ドレインの位置を示すために使用され、ドレイン電圧、ドレイン電流、ゲート・ソース間電圧は V で表されます。 _D 、 私 _D 、V _GS 。

MOSFET は多くの場合、線形/オーミック、カットオフ、飽和の 3 つの領域で動作します。 MOSFET がアンプとして使用される場合、MOSFET はこれら 3 つの動作領域のいずれかのオーミック ゾーンで機能し、印加電圧が上昇するにつれてデバイス全体の電流が増加します。

MOSFET アンプでは、JFET と同様に、ゲート電圧のわずかな変化によりドレイン電流が大きく変化します。その結果、MOSFETはゲート端子の弱い信号を強化することで増幅器として機能します。

MOSFETアンプの働き

MOSFET 増幅回路は、上に示した単純な回路にソース、ドレイン、負荷抵抗、および結合コンデンサを追加することによって作成されます。 MOSFET アンプのバイアス回路を以下に示します。

分圧器は上記のバイアス回路の構築コンポーネントであり、その主な役割はトランジスタを一方向にバイアスすることです。したがって、これはトランジスタが最も一般的にバイアスされる回路で使用されるバイアス技術です。電圧が分割され、適切なレベルで MOSFET に供給されるようにするために、2 つの抵抗が使用されます。 2 つの並列抵抗、R ₁ とR ₂ 、バイアス電圧を供給するために使用されます。上記の回路のバイアス DC 分圧器は、C によってさらに増幅される AC 信号からシールドされています。 ₁ とC ₂ カップリングコンデンサのペア。 RL 抵抗としての負荷が出力を受け取ります。バイアス電圧は次の式で与えられます。

R ₁ とR ₂ この場合、アンプの入力インピーダンスを高め、抵抗電力損失を制限するために、通常、値は高くなります。

入力電圧と出力電圧 (Vin と Vout)

数式を簡略化するために、ドレイン分岐に並列に接続される負荷がないと仮定します。ソース・ゲート間電圧 VGS は、ゲート (G) 端子から入力電圧 (Vin) を受けます。 R _S ×私 _D それぞれの R の両端に電圧降下をもたらすものとします。 _S 抵抗器。相互コンダクタンス (g _メートル ) はドレイン電流 (I _D ) からゲート・ソース間電圧 (V _GS ) 一定のドレイン-ソース電圧が印加された後:

それで、私は _D = g _メートル ×V _GS & 入力電圧 (V _で ) は V から計算できます。 _GS :

オペ電圧 (V _外 ) 上記の回路は次のようになります。

電圧利得

電圧ゲイン (A _で ) は入力電圧と出力電圧の比です。この縮小に続いて、方程式は次のようになります。

MOSFETアンプがBJT CEアンプと同じようにo/p信号の反転を実行するという事実。記号「-」は反転を表します。したがって、出力の位相シフトは 180° または rad になります。

MOSFETアンプの分類

MOSFET アンプには、ゲート共通 (CG)、ソース共通 (CS)、ドレイン共通 (CD) の 3 種類があります。各タイプとその構成については、以下で詳しく説明します。

コモンソースMOSFETを使用した増幅

ソース接地アンプでは、O/P 電圧が増幅され、ドレイン (D) 端子内の負荷の抵抗の両端に達します。この場合、i/p 信号はゲート (G) 端子とソース (S) 端子の両方に供給されます。この構成では、ソース端子は i/p と o/p の間の基準端子として機能します。ゲインが高く、より多くの信号を増幅できる可能性があるため、これは BJT よりも特に好ましい構成です。以下はコモンソースMOSFETアンプの回路図です。

「RD」抵抗は、ドレイン (D) とグランド (G) 間の抵抗です。次の図に示すハイブリッド π モデルは、この小信号回路を表すために使用されます。このモデルから、生成される電流は i = g で表されます。 _メートル で _GS 。したがって、

さまざまなパラメータの値は、Rin=∞、V と推定できます。 _私 =V _彼ら自身 とV _GS =V _私

したがって、開回路電圧ゲインは次のようになります。

電源から電力を供給されるリニア回路は、テブナンまたはノートンの同等のものと交換できます。 Norton の等価性を使用して、小信号回路からの回路の出力部分を変更できます。この状況では、Norton に相当するものがより実用的です。仮定した等価性により、電圧ゲイン G _で 次のように変更できます。

コモンソースMOSFETアンプは、無限の入出力インピーダンス、高いオン/オフ抵抗、および高い電圧利得を備えています。

コモンゲートアンプ (CG)

コモンゲート (CG) アンプは、電流または電圧アンプとしてよく使用されます。トランジスタのソース端子 (S) は CG 配置の入力として機能し、ドレイン端子は出力として機能し、ゲート端子はグランド (G) に接続されます。入力インピーダンスを低減したり発振を回避したりするために、入力と出力の間に強力な絶縁を作成するために、同じゲート アンプ構成がよく使用されます。ゲート接地アンプの小信号モデルと T モデルの等価回路を以下に示します。 「T」モデルのゲート電流は常にゼロです。

「Vgs」が印加電圧であり、ソースの電流が「V」で表される場合 _GS ×g _メートル '、 それから：

ここで、ゲート接地アンプの入力抵抗は R で表されます。 _で = 1/g _メートル 。入力抵抗の値は一般に数百オームです。 O/P 電圧は次のように与えられます。

どこ：

したがって、開放電圧は次のように表すことができます。

回路の出力抵抗はRなので、 _○ =R _D 、アンプのゲインは、低い i/p インピーダンスの影響を受けます。したがって、分圧器の公式を使用すると、次のようになります。

なぜなら「R」 _彼ら自身 ' は 1/g より大きいことがよくあります _メートル 、 V _私 ’はVに比べて減衰します _彼ら自身 。負荷抵抗「RL」が O/P に接続されている場合、適切な電圧ゲインが実現されます。したがって、電圧ゲインは次のように表されます。

コモンドレインアンプ

コモンドレイン (CD) アンプは、ドレイン (D) 端子がオープンのまま、ソース端子が出力信号を受け取り、ゲート端子が入力信号を受け取るアンプです。小さな O/P 負荷は、この CD アンプを電圧バッファ回路として使用して頻繁に駆動されます。この構成は、非常に低い o/p インピーダンスと非常に高い i/p インピーダンスを提供します。

小信号用ドレイン接地アンプとTモデルの等価回路を以下に示します。この回路の i/p 入力ソースは、抵抗 (R) の等価電圧によって識別できます。 _彼ら自身 ) とテブナン (V _彼ら自身 ）。負荷抵抗 (RL) は、ソース (S) 端子とグランド (G) 端子の間の出力に接続されます。

私は以来、 _G はゼロ、Rin = ∞ 端子電圧の分圧器は次のように表すことができます。

テブナンの等価物を使用すると、全体の電圧ゲインは上式と同様に求められ、R を考慮して評価できます。 ₀ =1/g _メートル として：

R以来 _○ = 1/g _メートル 一般に、負荷抵抗「RL」が大きいため、 は非常に小さな値となり、この場合のゲインは 1 よりも小さくなります。

結論

通常のアンプとMOSFETアンプの違いは、通常のアンプは電子回路を使用して入力信号を増幅し、高振幅の出力信号を生成することです。 MOSFET アンプは、BJT と比較して比較的少ない電力消費でデジタル信号を処理します。