第25回 MOSFETで増幅器を設計（1）：Analog ABC（アナログ技術基礎講座）（2/2 ページ）

[美齊津摂夫，ディー・クルー・テクノロジーズ]

線形領域の動作がバイポーラと大きく異なる

　ソース接地やゲート接地、ドレイン接地それぞれの利得や入力インピーダンス、出力インピーダンスを決めているのは、MOSFETの相互コンダクタンスgmです。gmを計算するのには、前回紹介した飽和領域におけるドレイン電流（Id）の計算式を使います。

　gmは、式（2）の通り、ゲート-ソース間電圧（Vgs）に対するドレイン電流（Id）の変化量で表現します。

　利得が増幅回路の特性に大きく関わるのは、飽和領域ですので、以上の式を使うことが多いと思います。

　それでは、ソース接地回路を使って、増幅器を設計します。ソース接地回路の周辺部品の定数の決め方は、バイポーラトランジスタの場合とよく似ています。本連載の「第6回 エミッタ接地回路の定数を決める」に詳しく説明していますので、参考にして下さい。

　ただ、MOSFETとバイポーラトランジスタでは、大きな違いがあります。それは、線形領域（バイポーラトランジスタでは、飽和領域）の動作です。前回（第24回）で紹介しきれませんでしたが、バイポーラトランジスタでは、コレクタ-エミッタ電圧（Vce）が小さくなると、動作速度が急速に低下します。これに対して、MOSFETでは、動作速度の低下が発生しないのです。

　バイポーラトランジスタでは、Vceが小さい領域で動作速度が急速に低下するため、Vceが小さい領域を使わないように注意する必要があります。もし使う場合には、何らかの工夫が必要になります（本連載の第16回を参照して下さい）。

　MOSFETは、ドレイン-ソース間電圧（Vds）が小さくなっても動作速度が劣化しないので、「ドレインがGNDにぶつかる」、すなわちVdsが小さい領域でも使えます。これは、回路設計の観点で大きな利点です。ドレインから取り出す出力電圧の振幅を、電源電圧に近いところまで広げることができるからです。

MOSFETのバイアス設計は簡単

　前置きが長くなってしまいました。増幅器を設計するにはまず、負荷抵抗を決めます。負荷抵抗を大きくすると、消費電流は小さく抑えられますが、寄生容量の影響を受けて高速動作が難しくなります。逆に、負荷抵抗を小さくし過ぎると、利得を確保するために必要な消費電流が増えてしまいます。

　ドレインの寄生容量を1pFと仮定すると、1kΩとの高域遮断周波数は、160MHzになります。もう少し帯域を伸ばしたいので、ドレイン抵抗は数百Ωにしたいところです。今回は、ドレイン-ソース間電圧（Vds）とドレイン電流（Id）の曲線に負荷直線を追記した図2を基に、負荷抵抗（R1）＝500Ωと設定しました。図2の負荷直線の特性から、MOSFETに0mA〜9mA流せば、5V〜0.5Vの出力電圧を得られます。

図2　増幅器のバイアスポイントを決める　ドレイン-ソース間電圧（Vds）に対するドレイン電流（Id）の曲線と負荷直線を基に、バイアスポイント（図中の赤い丸）を決めます。

　一般に、A級増幅器として動作させるためにバイアスポイント（図2の赤い丸）は、出力動作範囲のほぼ中央に設定します。バイアスポイントの動作電流は約4.8mA、これを得るために必要なVgsは1.1Vであることが図2から分かります。

　1.1Vの電圧をゲートに印加するように、バイアス用の抵抗値を決めます。MOSFETはゲートに電流が流れないので、抵抗値を決めるのは、バイポーラトランジスタに比べてはるかに簡単です。単に、抵抗分割で電圧を印可すればよいのです。

　電源電圧（VDD）は5.0Vですので、Vgs=1.1Vを作るために、R2=11kΩ、R3=39kΩと設定しました。増幅器の周辺回路の設定はこれで終わりです。次回は、増幅器の特性を確認するために、電圧源や、増幅器の負荷抵抗などを接続します。

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Profile

美齊津摂夫（みさいず せつお）

1986年に大手の通信系ハードウエア開発会社に入社し、光通信向けモジュールの開発に携わる。2004年に、ディー・クルー・テクノロジーズに入社。現在は、同社の常務取締役CTO（最高技術責任者）兼プラットフォーム開発統括部長を務めている。「大学では電気工学科に所属していたのですが、学生のときにはアナログ回路の勉強を避けていました。ですから、トランジスタや電界効果トランジスタ（FET）を使ったアナログ回路の世界には、社会人になってから出会ったといっていいと思います。なぜかアナログ回路の魅力に取りつかれ、23年目になりました」（同氏）。