【電子回路】MOSFETの小信号等価回路とは

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工学

 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

 MOSFETは能動素子 (トランジスタなど)であるため,受動素子 (抵抗,コンデンサなど)を用いた簡単な回路では表せらません.しかし,下図のように駆動させる範囲を絞ることで,MOSFETの回路を受動素子を用いた等価回路で表すことができます.

図1 小信号等価回路の領域

 まずドレイン電流は下図のように,\(I_{D}=I_{D (直流)}+i_{d} (i_{d}は交流)\)と,直流成分と交流成分に分けることができます.

図2 MOSFETの直流成分と交流成分

 直流成分と交流成分をそれぞれ別に解析ができます.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.図1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

とできます (ドレイン電流 (飽和領域)の式についてはこちら).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3 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 (基板バイアス効果についてはこちら)の影響を考慮した以下の等価回路となります.

図4 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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