どうも、さわざわです。
今回はゲート接地回路について触れていこうと思うよ。今までソース接地回路・ソースフォロワ(ドレイン接地回路)と解説をしてきたけど、アナログ回路構成する基本的なブロックとして、ゲート接地回路ってのが残ってるよ。これは信号を反転させずにゲインをかけて出力させる(つまり出力抵抗を大きくする)ことによく用いられる回路で、次回以降触れていくカスコード回路で必須の内容となっているよ。正直アナログ回路でいたるところにこのゲート接地回路の構成が起用されているので、ぜひこの内容について勉強していってねい。
この記事を読めば、ゲート接地回路の小信号等価回路や伝達関数など基本的特性について理解できます。またソース接地回路やソースフォロワとの簡潔な比較もわかります。
ソース接地回路の特性を述べた過去の記事
→ソース接地回路について_小信号等価回路を理解しよう編
ソース接地回路について_小信号等価回路で伝達関数と周波数応答を出そう編
ソース接地回路について_いろいろなソース接地回路に触れよう編
ソースフォロワの特性を述べた過去の記事
→ソースフォロワについて
ゲート接地回路について
ゲート接地回路は以下のようになっているよ。いろいろと負荷を与えて考える場合もあるけど、できるだけ簡潔に理解するために負荷抵抗などは入力デバイス以外に用いないで見るよ。
これはゲートが接地されていて、今までのようなソース接地回路やソースフォロワと違ってゲートで入力を受け止めるわけでないんだね。つまり入力から出力へ電流は流れるわけで、入力インピーダンスは有限の値となる違いがあるよ。
ゲート接地回路の小信号等価回路と伝達関数
では小信号等価回路はどうなるだろう。
以前のソースフォロワと同様に、ゲート接地回路もソースに変動する信号が入ってるね。なので、vgsもvdsもvbsも小信号として現れることになるね。では小信号等価回路はどうなるかな。
答えは上記のようになったよ。ソースフォロワと似ているけど、違うのはvinとvoutの位置だね。ここで、ゲートやボディは小信号等価回路上は接地されているから、vgsとvbsは-vin、vdsはvout-vinとかけることがわかるかな。
では早速キルヒホッフの電流則を用いて伝達関数を算出してみよう。
Voutのノードで式をたてると、以下のように展開していけるね。結果として、MOSの固有利得(基板バイアス効果込み)の値がゲインとして出てくることになるね。これって理想的な電流源を負荷デバイスにしたソース接地回路より若干大きいって感じだけど、重要な違いはゲインの値が正ってことだね。つまりは入力信号を反転することなくゲインをかけて出力することができるんだ。
この性質を使用したのがカスコード構造っていって、ソース接地回路とゲート接地回路を掛け合わせたようなものなんだ。詳しくは次回以降に紹介していくよ。
ソース接地回路・ソースフォロワ・ゲート接地回路の比較
その前にソース接地回路・ソースフォロワ・ゲート接地回路の性質をそれぞれ勉強したので、違いを簡潔にまとめておくよ。
ソース接地回路は以下のような経路で信号が伝達されていたね。負荷デバイスが理想的な電流源だとして、ゲインは以下10-100倍ほどの値になっていることが挙げられるけど、この時の信号は反転されているね。
次にソースフォロワだけど、以下のような信号経路で伝達されてたね。基本的に出力が入力を追う回路で、ゲインは1以下で信号は正転されるよ。
最後に今回のゲート接地回路だけど、信号伝達経路は以下のようだったね。んで、コンダクタンスは基板バイアス効果が効くことで大きく見えて、結果としてゲインの絶対値はソース接地回路よりも大きな値で表せることが確認できるね。信号は正転されてる。
ここでそれぞれの回路で信号が正転するのか反転するのかを抑えとくのは、回路の定性的な特性を読み解く上で重要だよ。オペアンプをはじめとして、複雑なアナログ回路も基本的にはこれら3つの回路から構成されているから、順に追っていけばどのように信号が伝達されているのかを汲み取ることができるよ。
次回予告
最後に次回予告。最初に述べたように、今回学習したゲート接地回路の応用としてカスコード回路があるよ。以下の左のような回路の伝達関数がどうなるか、小信号等価回路から計算してみよう。ちなみに右のように負荷デバイスがRDだったときにどう違うかも考えてみてほしい。
今日はここまで、ほな。
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