コモンソース増幅器: 同じ利得、開いた入力
ドレイン抵抗を大きくすると反転利得が伸びる
薄い曲線がゲート入力 vin、太い金色の曲線がドレイン出力 vout です。上下の赤い点線は、出力が越えられない電源の限界です。ドレイン抵抗 Rd を大きくすると出力はだんだん大きくなり、入力が上がるときに出力は下がるので、二つの曲線は鏡のように食い違います。表示器の電圧利得 Av も抵抗に比例して大きくなります。
ゲート信号がドレイン電流を揺らす
入力信号をゲートに乗せると、直流の動作点の上に小さな vgs が加わります。D3 で見たとおり、この小さな電圧はドレイン信号電流 id = gm vgs を作ります。ここで BJT と道が分かれます。ゲートの下には薄い酸化膜があって直流電流が入らないので、前段の信号源は電圧をかけるだけでよく、電流を分け与える必要がありません。ベースから信号電流を受け取っていた BJT とは正反対です。
その電流がRdで電圧になり反転する
このドレイン信号電流はドレイン抵抗 Rd を流れます。オームの法則により、Rd の両端電圧は id Rd だけ揺れます。出力はドレインから取り出し、ドレイン電圧は電源 Vdd から抵抗の電圧 Id Rd を引いた値です。信号電流が増えると抵抗がより多くの電圧を受け持つので、ドレイン電圧は下がります。入力が上がると出力が下がる反転で、式で書けば vout = -id Rd です。共通エミッタ(C4)でコレクタが担っていた役目を、ここではドレインがそのまま担います。
Av = -gm Rd、そして開いた入力
id = gm vgs を vout = -id Rd に代入すると、電圧利得 Av = -gm Rd が得られます。共通エミッタの -gm Rc とまったく同じ形です。違いは二つあります。一つは大きさです。MOSFET の gm はドレイン電流の平方根でしか伸びないので(D3)、同じ電流を流しても普通は BJT より gm が小さく、利得も低くなります。もう一つは入力です。ゲートが絶縁されているので素子そのものの入力インピーダンスはほぼ無限大で、実際の回路の入力抵抗はゲートに直流電圧を与えるバイアス抵抗で決まります。そのためこの増幅器は前段から信号をほとんど奪いません。生の利得は BJT に譲っても、前段に負担をかけないこの高い入力インピーダンスが MOSFET 増幅器の強みです。
最初の画面に戻ると
ドレイン抵抗を大きくするほど出力は大きくなり、入力が上がるたびに下がって、上下が反転した形を描きました。計算は共通エミッタと同じでした。ゲートの小さな電圧がドレイン信号電流 gm vgs になり、その電流がドレイン抵抗 Rd を流れて電圧になり、ドレイン電圧を引き下げました。二つを掛けた -gm Rd が電圧利得です。抵抗を際限なく大きくできないこともわかりました。出力は電源の限界で切れ、実際の素子ではチャネル長変調が作る出力抵抗がドレイン抵抗と並列につながって、利得に天井をかぶせます。BJT との違いは二つでした。MOSFET の gm は小さく生の利得は低いものの、絶縁ゲートのおかげで入力が電流を受け取らず、前段にほとんど負担をかけません。大きな利得は BJT に、大きな入力インピーダンスは MOSFET にあり、設計者はその間で選びます。
次へつながる流れ
ここまで MOSFET をアナログ増幅に使ってきました。しかし MOSFET が世界を大きく変えた舞台はデジタルです。次のユニットでは NMOS と PMOS を上下に組み合わせ、入力が 0 か 1 かによってどちらか一方だけがオンになる CMOS インバータを作ります。出力は完全に反転しますが、どちらの状態で止まっていても電源から接地へ直接つながる道がないので、じっとしているときはほとんど電流が流れません。