MOSFETの基礎⑥【小信号等価回路】

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工学

MOSFETの基礎⑥ではMOSFETの小信号等価回路について解説していきます.MOSFETの基礎と動作を理解に役立ててください.


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小信号等価回路

図 小信号等価回路の領域

MOSFETは能動素子であるため,受動素子を用いた簡単な回路では表せらませんが,駆動させる範囲を絞ることで受動素子を用いた等価回路で表すことができます.

ドレイン電流は\(I_{D}=I_{D (直流)}+i_{d} (i_{d}は交流)\)のように直流成分と交流成分に分けることができ,直流成分と交流成分をそれぞれで解析できます.大信号解析 (直流解析)は直流成分の解析が可能です.小信号解析 (交流解析)は交流成分の解析が可能で,ゲインや入出力特性の解析ができます.

MOSFETの飽和領域での小信号解析を行うために,小信号等価回路を用います.上図の飽和領域の小さい範囲では線形と見なせるため,受動素子を用いた等価回路として表すことができます.ドレイン電流 (飽和領域)\(i_d\)の偏微分は

\(i_d=\frac{\delta I_D}{V_{GS}}v_{gs}+\frac{\delta I_D}{V_{DS}}v_{ds}\)
  \(=g_mv_{gs}+g_0v_{ds}\)

  • ドレイン電流 (飽和領域):\(I_D=\beta [\frac{1}{2}(V_{GS}-V_{TH})^2](1+\lambda V_{DS})\)
  • \(g_m\):相互コンダクタンス
  • \(g_0\):出力コンダクタンス

とでき,上の式を回路にすると,下図の等価回路となります.実際に小信号等価回路を用いた解析は別の記事で紹介します.

図 MOSFETの小信号等価回路

基板バイアス効果

基板バイアス電圧\(V_{BS}\)に交流成分がある場合は,基板バイアス効果 (MOSFETの基礎⑤【しきい値電圧,基板バイアス効果】参照)の影響を考慮した以下の等価回路となります.

図 MOSFETの小信号等価回路 (基板バイアス効果の影響あり)

まとめ

図 MOSFETの小信号等価回路

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