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ゲート接地回路(1)

ゲート接地回路

最後の回路がゲート接地回路です。
ソース接地回路はソース端子が固定電位(=電源電圧)、ソースフォロアはドレイン端子が固定電位(=電源電圧)でしたので、ゲート接地回路はゲート端子が固定電位となります。

ゲート接地回路のゲート電圧は他の2つの回路のように電源電圧にすると動作しにくいため、中間電位がほとんどです(VSS,VDD のどちらかに設定するとトランジスタが OFF するか、出力電圧がクリッピング(ソース接地回路(3))する)。ゲート端子の入力端子は増幅回路として利用するために、ソース端子に設定します。ゲート接地回路も NMOS トランジスタでも PMOS トランジスタでも作ることができ、カレントミラーを使うこともできます。

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ゲート接地回路(2)

(1)ゲート接地回路の動作原理

 入力トランジスタが NMOS トランジスタ、抵抗負荷のゲート接地回路を使って、ゲート接地回路の動作原理を考えてみます(ほかの種類のものも同じです)。

 もし入力電圧が少し下がると、NMOS トランジスタの Vgs が大きくなるため、NMOS トランジスタの電流が gm に従って増えます(gmとは?(2))。この増えた電流はそのまま抵抗に流れるため、出力電圧は大きく下がります。逆に、入力電圧が少し上がると、NMOS トランジスタの Vgs が小さくなるため、NMOS トランジスタの電流が gm に従って減ります。抵抗に流れる電流が減少しますので、出力電圧は大きく上がります。

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ゲート接地回路(3)

 この動作は実はソース接地回路と同じものです(実は増幅率もほぼ同じです)。
ただ、ソース接地回路と違って、入力と出力の位相が同じ=同相になります。
ソース接地回路(4)ソースフォロア(3)

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 なお、ゲート接地回路でも基板効果(2次効果とは?(3)(4))を考慮する必要が
あります。ただゲート接地回路は通常増幅だけが重要なため、基板効果があっても、
ソース端子やゲート端子の電圧の調整を行うことで問題ないことが多いです。

ゲート接地回路(4)

 ゲート接地回路の用途ですが、高周波信号の増幅とその応用となるカスコード接続
カスケード接続とも)の2つです。

 詳細はゲート接地回路(6)以降になりますが、増幅率がソース接地回路と同じで、
ミラー効果
がないゲート接地回路は高周波信号の増幅が可能となります。
しかし、ゲート接地回路の欠点である入力インピーダンスが低い
(考え方はソースフォロアの出力インピーダンスと同じです(ソースフォロア(6)))
ことにより、ゲート接地回路単独で増幅回路を組むことはあまりありません。

そこで、ソース接地回路のあとにゲート接地回路を接続したカスコード接続
用いられます。

ゲート接地回路(5)

(2)小信号等価回路による解析

次に、ゲート接地回路の小信号等価回路を見てみます。
ソース接地回路でのやり方と同じ手順(ソース接地回路(7)(8))で小信号
等価回路を導いていきます。

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得られた小信号等価回路は、これまでのものとかなり違う形となります。
計算も複雑なので結果だけを示すと、増幅率 Av の値はソース接地回路の
それ(ソース接地回路(11))とほぼ同じとの結果が得られます。
この結果は動作原理がほぼ同じということに対応し(ゲート接地回路(3))、
また、カスコード回路等の計算をするうえで、非常に便利なものとなります。

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ゲート接地回路(6)

(3)周波数特性(F特)

 入力がソース端子のため、すべてを考慮して計算すると複雑な結果が得られます。
しかし、ドレイン抵抗を無視すると入出力が理想電流源で分離されるため、有益な
結果が得られます。順に追っていきます。

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まず、寄生容量の状況です。(これまでと同じく前段回路の出力インピーダンス Rz
入れます)。ソース端子が電源電圧ではないので、ソース端子と基板端子間の容量
Csb を考慮する必要があります。ただゲート端子が接地されているため、結局
ソース端子‐接地点間に一つ、ドレイン端子‐接地点間に一つにまとめることができます。

ゲート接地回路(7)

次に、出力側です。
整理すると、ソース接地回路(29)での形と同様になります。
つまり、理想増幅器とRCフィルタに変換することができます。

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最後に、入力側です。ソース電圧 Vx によりトランジスタの電流量が
決まるため、すこし複雑です。まず遮断周波数の値を理解するために、
理想電流源を入力インピーダンス Rin=1/gm に置き換えて考えます。
ソースフォロア(6)

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ゲート接地回路(8)

入力インピーダンスに置き換えると、抵抗2個と容量1個の回路になります。
単純な RC フィルタ同様(RCフィルタとは?(15))、容量のない場合の Vx
電圧値が、容量のインピーダンス(=抵抗値)により半分の値になる時が
遮断周波数となります。今回の場合、Vx を半分にする値をそれぞれの抵抗に
対して考えて足し合わせる(重ね合わせの原理)方法が分かりやすいと思います。

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結論としては、容量のインピーダンスが前段回路の出力インピーダンス Rz
入力インピーダンス 1/gm との並列接続した値になった時が遮断周波数となります。
これを用いると、回路としては以下のように簡略化できることになります。

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ゲート接地回路(9)

以上の考察から、ゲート接地回路はドレイン抵抗を無視することで
RCフィルタ2つと理想増幅器で近似できることがわかりました。

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これらをもとに、AC解析の結果を見てみます。

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DCゲインはソース接地回路とだいたい同じ値です。
位相は同相なため 0°からのスタートです。
2つの極の挙動はこれまでの回路と同じです。
なお、第1の極は抵抗値、容量値共に大きい出力側のRCフィルタによるものです。


ゲート接地回路(10)

(4)ゲート接地回路のまとめ

最後にゲート接地回路をまとめます。

1)入力周波数が十分低い場合の増幅率であるDCゲインは、
 入力トランジスタの gmとトランジスタのドレイン抵抗と負荷抵抗の
 合成抵抗 RL の積です。
2)通常に回路を組むと基板効果の影響がでます。ただゲート接地回路は通常増幅だけが
 重要なため、基板効果があっても、ソース端子やゲート端子の電圧の調整を行うことで
 問題ないことが多いです。
3)ゲート接地回路の用途は高周波信号の増幅とその応用となるカスコード接続
 (カスケード接続とも)の2つです。
4)周波数特性はドレイン抵抗を無視した場合、極が2つと近似されます。
 入力側に一つ、出力側に一つのRCフィルタと理想増幅器の組み合わせで表現できます。
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Author:たみひかのろ
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目標であったオペアンプの設計に6年かけて到達しました。ここからは応用的な内容を書ける限り書いていきたいと思います。

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