【ドレイン接地回路(ソースフォロワ)】特徴・原理ついて

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)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V_DDに接続しています。

出力電圧V_OUTは
\begin{eqnarray}
V_{OUT}= V_{IN}- V_{GS}
\end{eqnarray}
となっています(理想的にはV_OUT=V_IN)。つまり、出力電圧V_OUTが入力電圧V_IN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)

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

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V_DD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V_DD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V_INと出力電圧V_OUT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。

ドレイン接地回路(ソースフォロワ回路)の原理

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V_BE –コレクタ電流I_C」特性のような「ゲートソース間電圧V_GS – ドレイン電流I_D」特性があります。 上図に「V_GS - I_D」特性を示します。この特性よりドレイン電流I_Dを流すために必要なゲートソース間電圧V_GS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V_INは一定電圧とします。入力電圧V_INと出力電圧V_OUTの電圧差がV_GS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V_OUTが下がると、トランジスタのV_GSが増加します。その結果、I_Dが増加するため、出力電圧V_OUTが上がります。出力電圧V_OUTが上がって、変化する前に戻ると、元のV_GSとI_Dに戻ります。

出力電圧が上がった場合

出力電圧V_OUTが上がると、トランジスタのV_GSが減少します。その結果、I_Dが減少するため、出力電圧V_OUTが下がります。出力電圧V_OUTが下がって、変化する前に戻ると、元のV_GSとI_D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V_OUTは理想的にはV_OUT=V_IN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V_GSが誤差となります。ゲートソース間電圧V_GSは先ほど示しました「ゲートソース間電圧V_GS – ドレイン電流I_D」特性より、ドレイン電流I_D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I_D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I_Dは
\begin{eqnarray}
I_{D}=\frac{V_{OUT}}{R}
\end{eqnarray}
となります。

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

ドレイン接地回路(ソースフォロワ回路)の特徴