El amplificador en fuente común: misma ganancia, entrada abierta
Aumenta la resistencia de drenador y crece la ganancia invertida
La curva tenue es la entrada de puerta vin y la curva dorada gruesa es la salida de drenador vout. Las líneas rojas discontinuas de arriba y abajo son los límites de la alimentación, que la salida no puede cruzar. Al aumentar la resistencia de drenador Rd, la salida crece, y baja cada vez que la entrada sube, así que las dos curvas se reflejan como en un espejo. La ganancia de tensión Av del indicador también crece en proporción a la resistencia.
La señal de puerta hace oscilar la corriente de drenador
Al poner la señal de entrada en la puerta, un pequeño vgs se suma al punto de trabajo en continua. Como se vio en D3, esta pequeña tensión produce una corriente de señal de drenador id = gm vgs. Aquí el MOSFET se separa del BJT. Bajo la puerta hay una fina capa de óxido que no deja entrar corriente continua, así que la fuente de señal de la etapa anterior solo tiene que aplicar una tensión, sin entregar corriente. El BJT era justo lo contrario: su base tomaba corriente de señal de la fuente.
Esa corriente se vuelve tensión en Rd y se invierte
Esta corriente de señal de drenador recorre la resistencia de drenador Rd. Por la ley de Ohm, la tensión en Rd oscila en id Rd. La salida se toma en el drenador, y la tensión de drenador es la alimentación Vdd menos la tensión de la resistencia, Id Rd. Cuando la corriente de señal sube, la resistencia se queda con más tensión y la tensión de drenador baja. La salida baja cuando la entrada sube; es una inversión que se escribe vout = -id Rd. El papel que tenía el colector en el emisor común (C4) lo cumple aquí el drenador.
Av = -gm Rd, y la entrada abierta
Al sustituir id = gm vgs en vout = -id Rd se obtiene la ganancia de tensión Av = -gm Rd, la misma forma que el -gm Rc del emisor común. Hay dos diferencias. La primera es el tamaño. El gm del MOSFET crece solo con la raíz cuadrada de la corriente de drenador (D3), así que a igual corriente su gm suele ser menor que el de un BJT y la ganancia es más baja. La segunda es la entrada. La puerta está aislada, de modo que la impedancia de entrada del propio dispositivo es casi infinita, y en un circuito real la resistencia de entrada la fijan las resistencias de polarización que mantienen la puerta en su tensión continua. Por eso este amplificador casi no quita señal a la etapa anterior. Aunque ceda ganancia bruta al BJT, esta alta impedancia de entrada, que no carga a la etapa anterior, es la fortaleza del amplificador MOSFET.
De vuelta a la primera pantalla
Al aumentar la resistencia de drenador, la salida creció, y cada vez que la entrada subía ella bajaba, dibujando una forma invertida. Las cuentas coincidían con las del emisor común. La pequeña tensión de puerta se convirtió en una corriente de señal de drenador gm vgs, y esa corriente, al recorrer la resistencia de drenador Rd, se volvió tensión y bajó la tensión de drenador. Su producto, -gm Rd, es la ganancia de tensión. También quedó claro por qué la resistencia no puede crecer sin fin. La salida se recortó en los límites de la alimentación, y en un dispositivo real la resistencia de salida que crea la modulación de la longitud del canal queda en paralelo con la resistencia de drenador y pone un techo a la ganancia. Dos cosas lo separan del BJT. El gm del MOSFET es menor y la ganancia bruta es más baja, pero la puerta aislada no toma corriente, así que apenas carga a la etapa anterior. La ganancia alta está del lado del BJT, la alta impedancia de entrada del lado del MOSFET, y quien diseña elige entre ambas.
Lo que sigue
Hasta aquí hemos usado el MOSFET para amplificar señales analógicas. Pero el escenario donde el MOSFET cambió el mundo es el digital. En la próxima unidad apilas un NMOS y un PMOS para construir un inversor CMOS, en el que solo uno de los dos conduce según la entrada sea 0 o 1. La salida se invierte por completo, pero en cualquiera de los dos estados de reposo no hay un camino directo de la alimentación a tierra, así que casi no circula corriente mientras está quieto.