ソースデジェネレーションによる線形化について

どうも、さわざわです。

今回はソースデジェネレーションについて触れていこうと思うよ。これは回路の線形化技術として用いられるもので、回路ブロックのコンダクタンスにメスを入れるような回路なので、さわざわ的には回路のコンダクタンスと出力抵抗の関係を分けて理解するのにこの回路って適任だと思うんだよね。みんなも勉強していってねい。

この記事を読めば、ソースデジェネレーションの線形化技術について、小信号等価回路の観点から理解できます。

Contents

1 回路の非線形性について
2 ソースデジェネレーションの特性
3 小信号等価回路からソースデジェネレーションの解析

回路の非線形性について

最初に回路の非線形性について触れるよ。これはちゃんと深掘りするとえげつない長い内容なのでさっぱりと。以下のようにソース接地回路があって、この際のゲインはいくつになるかな？

今回はゲインの計算をv_in→v_outの伝達関数ではなく、システムのコンダクタンスG_mと出力抵抗R_outに分けて考えよっか(これだとゲインの正負がわからないけど、ソース接地なのでマイナスは決め打ち)。ゲインA_vは以下のようになるね。
ソース接地の小信号等価回路から伝達関数からの計算は以下でも詳しく述べてるよ。
→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

G_mは電圧を電流に変換する能力のパラメータであり、G_mを考える際はv_inだけ小信号として扱って、v_out=0Vにするのでr_oにも電圧はかからず、G_m=i_ds/v_in=i_out/v_in=g_mとなるね。

一方でR_outはv_in=0Vとしてv_outのみ小信号として扱うので、出力にはr_oとR_Dの並列抵抗が見えて、r_o>>R_DとするとほぼR_Dしか見えず、R_out=v_out/i_out=R_Dとなるね。

なので最終的なゲインは以下のようになったね。

ここでゲインにはg_mが入っているよね。g_mは飽和領域の応答において、v_gsに対してi_dsは2乗の特性を持ちその傾きから算出されたものであるから、基本的にv_inに対してg_mは線形でなく、非線形性が強いパラメータなんだね。なので入力の小信号の線形性を崩さずに出力したい場合に、上記は向いていないよ。

ソースデジェネレーションの特性

ソースデジェネレーションの役割のメインはこのg_mをできるだけ見えないようにして、線形なゲインを作ることにあるんだね。ソースデジェネレーションを以下に示すよ。ソースに線形抵抗を入れていて、負帰還になっていることがわかるかな？

つまり、v_inが上昇してi_dsが増えた際にR_sに流れる電流が増えるわけで、これによりv_s(＝i_ds*R_s)の電位が上昇するね。そうするとv_gs(=v_in-v_s)が小さくなって結果的に電流が減るように働くんだね。
これによって電流特性は2乗まで行かずに、比較的線形的な応答になるってのが定性的な理解だよ。