増幅回路

【ドレイン接地回路(ソースフォロワ)】特徴・原理ついて

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MOSFETを使用した増幅回路であるドレイン接地回路(ソースフォロワ)の特徴や原理について説明します。

ドレイン接地回路(ソースフォロワ回路)とは

ドレイン接地回路(ソースフォロワ回路)とは
ドレイン接地回路(ソースフォロワ回路)の回路図と波形を上図に示しています。ドレイン接地回路はバイポーラトランジスタにおけるコレクタ接地回路(エミッタフォロワ回路)の電界効果トランジスタ(FET)バージョンとなっています。FETのゲート端子Gが入力、ソース端子Sが出力、ドレイン端子Dを電源VDDに接続しています。

出力電圧VOUT
\begin{eqnarray}
V_{OUT}= V_{IN}- V_{GS}
\end{eqnarray}
となっています(理想的にはVOUT=VIN)。つまり、出力電圧VOUTが入力電圧VINを追従するように動作する回路となっており、その特徴からソースフォロワ(ソース(出力)がフォロー(入力を追いかける))回路(英:Source Follower)とも呼ばれています(ソースフォロアとも呼ばれています)。

また、ドレイン接地回路はドレイン共通回路(英:Common Drain)、電圧フォロワ回路(英: Voltage Follower)とも呼ばれています。

PMOSを使用した場合のドレイン接地回路(ソースフォロワ回路)

PMOSを使用した場合のドレイン接地回路
ドレイン接地回路(ソースフォロワ回路)はNMOSでもPMOSでも作成することができます。上図に回路図を示します。

ドレイン接地回路(ソースフォロワ回路)を実際に使用する時の回路

ドレイン接地回路(ソースフォロワ回路)を実際に使用する時の回路
なお、今までの回路図は原理を示すために用いられる図であり、実際の回路で使用する際には上図の右のように使用します。ドレイン端子は電源VDDに接続されていますが、交流的には接地されています(そのため、ドレイン接地回路と呼ばれています)。

抵抗R1とR2は電源電圧VDDを分圧して、ゲートに入力するためのバイアス抵抗です。
入力電圧VINと出力電圧VOUTに接続されているコンデンサは直流成分をカットするためのコンデンサです。

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ドレイン接地回路(ソースフォロワ回路)の原理

「ゲートソース間電圧VGS – ドレイン電流ID」特性
MOSFET にもバイポーラトランジスタの「ベースエミッタ間電圧VBE –コレクタ電流IC」特性のような「ゲートソース間電圧VGS – ドレイン電流ID」特性があります。 上図に「VGS - ID」特性を示します。この特性よりドレイン電流IDを流すために必要なゲートソース間電圧VGSが分かります。

NMOSを使用したドレイン接地回路(ソースフォロワ回路)で負荷が抵抗負荷の場合における原理を考えてみます。入力電圧VINは一定電圧とします。入力電圧VINと出力電圧VOUTの電圧差がVGSとなるのがポイントとなります。

出力電圧が下がった場合

出力電圧が下がった場合
出力電圧VOUTが下がると、トランジスタのVGSが増加します。その結果、IDが増加するため、出力電圧VOUTが上がります。出力電圧VOUTが上がって、変化する前に戻ると、元のVGSとIDに戻ります。

出力電圧が上がった場合

出力電圧が上がった場合
出力電圧VOUTが上がると、トランジスタのVGSが減少します。その結果、IDが減少するため、出力電圧VOUTが下がります。出力電圧VOUTが下がって、変化する前に戻ると、元のVGSとIDに戻ります。

ドレイン接地回路(ソースフォロワ回路)の誤差


ドレイン接地回路(ソースフォロワ回路)の出力電圧の誤差について説明します。

出力電圧VOUTは理想的にはVOUT=VINですが、回路図から
\begin{eqnarray}
V_{OUT}= V_{IN}- V_{GS}
\end{eqnarray}
となり、ゲートソース間電圧VGSが誤差となります。ゲートソース間電圧VGSは先ほど示しました「ゲートソース間電圧VGS – ドレイン電流ID」特性より、ドレイン電流IDの大きさによって変化します。

また、回路図よりドレイン電流IDはソースに接続されている抵抗Rに流れます。そのため、ドレイン電流ID
\begin{eqnarray}
I_{D}=\frac{V_{OUT}}{R}
\end{eqnarray}
となります。

例えば、入力電圧VINが増加すると、出力電圧VOUTも増加します。その結果、ドレイン電流IDが増加するため、ゲートソース間電圧VGSも増加します。これより、入力電圧VINが高いほど、誤差であるゲートソース間電圧VGSも高くなることが分かります。

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ドレイン接地回路(ソースフォロワ回路)の特徴

  • 入力インピーダンスが高い
  • 入力部がMOSFETのゲート端子になっているため、入力インピーダンスが高くなります。

  • 出力インピーダンスが低い
  • ソース端子から出力信号を出力するため、出力インピーダンスが低くなります。その結果、より多くの負荷を駆動できるようになります。ドレイン接地回路の大きな特徴はこの入力インピーダンスが高くて、出力インピーダンスが低い点にあります。この特徴からバッファとして主に用いられています。

  • 入力電圧VINと出力電圧VOUTは同相(位相が同じ)です。ソース接地回路と異なります。
  • 電圧利得(ゲイン)が1倍です。
  • 厳密には出力電圧VOUTはゲートソース間電圧VGS低下した電圧なので、電圧利得は1より多少小さくなります。

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