コモン・ソース増幅器（IGFET）：設計、バイアス、性能
コモン・ソース増幅器（IGFET）
コモン・ソース（CS）段は、MOSFET（IGFET）増幅器設計の主力です。3つの基本MOSFETトポロジーの中で最高の電圧利得を提供し、オーディオ、RF、混信号アプリケーションに最適です。
主要特性
- 電圧利得（Av） ≈ –gm·Rout（典型20–50 V/V）
- 入力インピーダンス – 非常に高い（メガオーム〜ギガオーム）
- 出力インピーダンス – 低い（数百Ω〜数kΩ）
- 帯域幅 – ミラー効果と寄生容量で制限
バイアスとDC動作点
適切なバイアスは飽和領域での動作を保証し、MOSFETを電圧制御電流源として振る舞わせます。一般的なバイアススキームには：
- ソースデジェネレーション抵抗付き抵抗分割器で直線性とバイアス安定性を確保。
- ダイオード接続MOSFETを用いた自己バイアスでVGSを自動設定。
- リファレンス電圧とカレントミラー負荷による電圧モードバイアスで精密化。
負荷の選択
利得、出力スイング、直線性をトレードオフする3つの典型的負荷構成：
- 抵抗負荷 – シンプルだが電力損失で制限される。
- カレントミラー負荷 – 実効負荷抵抗を倍増し利得をブースト。
- CMOS負荷（p-MOS + n-MOS） – 高出力スイングと低歪みを提供。
周波数応答
ミラー容量（Cgs·(1 – Av)）が高周波帯域幅を大幅に低下させます。緩和技術には：
- 低容量トランジスタ（例：JFETや低Cgs CMOS）の使用。
- ドレインとソース間のフィードバック抵抗追加。
- カスコード段でCgsを出力から分離。
実践的設計例
# パラメータ VDD = 5.0 V Rsource = 1 kΩ Rd = 10 kΩ M1 = NチャネルMOSFET (Vth = 1.5 V) # バイアス計算 VGS = VDD – ID·(Rd + Rsource) # ID = 2 mA選択 → VGS ≈ 3.0 V # 利得 gm = 2·ID / (VGS – Vth) ≈ 1.33 mS Av ≈ –gm·(Rd || ro) ≈ –12 V/V
応用
- オーディオプリアンプ – 高利得、中程度帯域幅。
- RFミキサー – 直線性と低ノイズ指数。
- デジタルロジックレベルシフト – 高入力インピーダンス。
バイアス、負荷選択、ミラー効果緩和をマスターすることで、設計者はコモン・ソース増幅器の潜在能力を幅広い電子回路で最大限に引き出せます。
産業技術