増幅器
今回はトランジスタに焦点を当てる。
1.MOSFFT
2.バイポーラトランジスタ
1.MOSFET
(ゲートソース間の電圧を大きくすると、ドレインソース間の電流が大きくなる)
MOSFET（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ 英: metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）
MOSFETのことをFETと省略することとする
また、ドレインソース間の電圧をVdsとして
入力Vdsで出力Idの入出力特性をPythonで描写する
import matplotlib.pyplot as plt
# 定数の設定
K = 1.0 # MOSFETの透過率
W_L = 1.0 # MOSFETの幅と長さの比率
Vth = 0.5 # MOSFETの閾値電圧
Vgs = 1.0 # MOSFETのゲート−ソース電圧
# Vdsの範囲を設定
Vds_range = np.linspace(0, 2, 100)
# 線形領域のIdを計算
Id_linear = W_L * K * ((Vgs - Vth) * Vds_range - 0.5 * Vds_range**2)
# Vdsがピンチオフより大きい領域でのみ線形領域をプロット
Vp = Vgs - Vth
Vds_pinchoff = np.where(Vds_range < Vp, Vds_range, Vp)
Id_pinchoff = W_L * K * ((Vgs - Vth) * Vds_pinchoff - 0.5 * Vds_pinchoff**2)
# 飽和領域のIdを計算
Id_saturation = np.where(Vds_range < Vgs - Vth, 0, W_L * K * (Vgs - Vth)**2 / 2)
# グラフの描画
plt.figure(figsize=(8, 6))
plt.plot(Vds_pinchoff, Id_pinchoff, label='Linear Region', color='blue')
plt.plot(Vds_range, Id_saturation, label='Saturation Region', color='red')
# グラフの装飾
plt.title('MOSFET Characteristic')
plt.xlabel('Vds (V)')
plt.ylabel('Id (A)')
plt.legend()
plt.grid(True)
plt.ylim(bottom=0) # y軸の下限を0に設定
plt.xlim(0, 2) # x軸の範囲を0から2に設定
# グラフの表示
plt.show()
入力Vdsで出力Idグラフの結果
MOSFETのゲート−ソース電圧はVgs = 1.0 に設定した
チャネル長変調効果は無視した
線形領域では放物線、飽和領域では一定になることがこのグラフから見てとれる
アナログCMOS集積回路の設計より
MOSFETの幅と長さのWとLのパラメータを調整すると出力電流Idの値も変わる
相互コンダクタンスgmについて
MOSFETの入出力は非線形である。 従って、扱いやすく線形と考えるためには、増幅回路の電流・電圧の状態が動作点を中心にわずかに動く場合に限られる。 この場合、特性が曲線であっても、変化が微小であるため直線で近似（テイラー展開で線形近似）できる。
小信号とは、この近似が成り立つほど変化が小さい信号のことである。
スパイスシミュレーションでは小信号等価回路解析のことをAC解析という。
Δは小さな差である。
コンダクタンスは抵抗の逆数
これを小信号に対するドレインお抵抗という。
直流を遮断するための結合コンデンサと直流電圧を取り除いてFETをgm×Δ入力信号の電流源に変えることで小信号等価回路に書き換えることができる。
小信号等価回路
図の抵抗は並列合成抵抗として考える
2.バイポーラトランジスタの図
(ベースの電流を大きくすると、コレクタエミッタ間の電流が大きくなる)
直流電流増幅率をhFEとおく
ICE=hFE×IBの関係式が成り立つ
東芝2SC1815のデータシート
IB=定数の入出力特性
ここまでFETとバイポーラの説明をした。FFTは電圧入力、バイポーラは電流入力である。FETの電圧制御の方が熱損失が少ない。また、集積化しやすい。
とりあえず、FETは電圧制御、バイポーラは電流制御ということだけ覚えてほしい。
参考文献
専門基礎ライブラリー 電子回路
https://www.jikkyo.co.jp/book/detail/19503008
アナログCMOS集積回路の設計 (基礎編)
https://www.amazon.co.jp/%E3%82%A2%E3%83%8A%E3%83%AD%E3%82%B0CMOS%E9%9B%86%E7%A9%8D%E5%9B%9E%E8%B7%AF%E3%81%AE%E8%A8%AD%E8%A8%88-%E5%9F%BA%E7%A4%8E%E7%B7%A8-Behzad-Razavi/dp/462107220X