【基礎から学ぶトランジスタ】 ゲート接地回路の入力信号波形に対する出力信号波形の求め方

今回は、「ゲート接地回路の入力信号波形に対する出力信号波形の求め方」についての説明です。

１．初めに

FETには、トランジスタ同様に信号を増幅する機能と回路をON/OFFするスイッチング機能があります。
スイッチング機能は置いといて、まずはFETを用いて信号を増幅する回路を例に挙げ、実際に信号がどのように増幅されるかを見ていこうと思います。

増幅機能とは言っても、接地方式によって特徴が変化します。
この辺りはトランジスタにエミッタ接地回路・コレクタ接地回路・ベース接地回路が存在するのと同じです。
FETにもソース接地回路・ドレイン接地回路・ゲート接地回路が存在します。

今回はゲート接地回路について解説していきます。

ちなみに、使用するFETは、よく使われているエンハンスメント型のMOSFETとしています。

２．ゲート接地の特徴

ゲート接地回路は、ゲート共通回路とも呼ばれます。

基本的な特徴は以下の通りです。

入力インピーダンス	：低い
出力インピーダンス	：高い
電圧増幅率	：高い
高周波特性	：良い
出力の位相	：非反転(同相)

トランジスタのベース接地回路と同じような特徴になっています。

ソース接地回路及びドレイン接地回路に関しては入力信号をゲート端子に入れるので、入力インピーダンスは高いです。
それに対してゲート接地回路は、入力信号をソース端子に入力する為、入力インピーダンスは低くなります。

３．ゲート接地回路を利用した増幅回路

図1のようなゲート接地回路があり、交流信号V_INが入力されています。
ソース接地回路とドレイン接地回路と比べると回路構成がガラッと変わって見えるので最初は混乱しやすいんですよね。

この回路は、ゲート電圧V_GS=2[V]の時にドレイン電流I_D=100[μA]になったとします。
また、順方向伝達アドミタンス|Y_fs|=100[μS]とします。

この時の出力波形V_OUTを図示してみましょう。

V_OUTは、電源E₂から抵抗Rでの電圧降下分を差し引いた値になっているので、これらの関係式はV_OUT=E₂－RI_Dになります。

この関係を念頭に置いて、V_GS=1[V]、I_D=100[μA]を基準とした時の|Y_fs|の関係を見ていくと、以下のようになります。

ゲート端子電圧がE₁、ゲートーソース間電圧がV_GS、ソース端子電圧がV_INという関係になっているので、これらの関係式であるE₁－V_IN=V_GSを代入して整理しています。

この関係も組み込んでいくと、以下のようになります。

後は、各点をプロットしていくことで出力波形は導き出せますし、入力信号波形を瞬時値表示して求めることも可能です。
せっかくなので後者で求めてみますね。

V_INを瞬時値表示にすると、振幅1[V]、周期T[s]なので、以下のようになります。

この式を先程のV_OUTの式に代入します。

これが得られる出力波形です。

位相はそのままに振幅が2倍になりましたね。

以上、「ゲート接地回路の入力信号波形に対する出力信号波形の求め方」についての説明でした。

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