ソース接地回路

ソース接地回路（ソースせっちかいろ）またはソース共通回路（ソースきょうつうかいろ、英: Common source）は、電界効果トランジスタを用いた基本的な増幅回路の一つ。入力インピーダンスが高く、出力インピーダンスも比較的高い。電圧増幅に用いるのが一般的。バイポーラトランジスタを用いた同様の回路にエミッタ接地回路がある。

図 1: 基本的なNMOSソース接地回路（バイアス等の詳細は省略）

特性

電界効果トランジスタのゲートは絶縁体のため、低い周波数ではソース接地回路の入力インピーダンスは非常に高い。小信号電圧利得は

$A_{v}={\frac {v_{o}}{v_{i}}}=-g_{m}\cdot r_{o}||R_{D}$、

出力インピーダンスは

$r_{out}=r_{o}$

となる($r_{o}$はトランジスタの出力抵抗)。$r_{o}\gg R_{D}$ の場合、

$A_{v}\approx -g_{m}R_{D}$、

と単純化される。

• ソース接地回路自身の入力インピーダンスは非常に高いが、入力信号にバイアスをかけなければいけない場合(入力がAC結合の場合など)、バイアス回路が入力インピーダンスを決定するため注意が必要である。また、$R_{D}$ の値にもよるが、出力インピーダンスは高めなので、負荷の抵抗値が低い場合にはバッファを挿入する必要がある。

• 電圧利得が高く、ミラー効果によってゲート・ドレイン容量($C_{gd}$)を増大させたものが実質的にゲートに現れる。このため、出力インピーダンスの高い回路でソース接地回路を駆動すると著しく帯域が制限される。この問題は後述のカスコードトランジスタで解決できる。

• 出力のバイアス点はトランジスタのバイアス電流 $I_{D}$、$R_{D}$及び電源電圧${\rm {V_{DD}}}$のみで決まり、その値は${\rm {V_{DD}}}-I_{D}R_{D}$ である。このバイアス点を、トランジスタが飽和する最低のドレイン電圧と電源電圧(${\rm {V_{DD}}}$)の中間にした場合に最大の出力振幅が得られる。

ソース負帰還

図 2: ソース負帰還付きソース接地回路（バイアス等の詳細は省略）

ソース接地回路のトランジスタの$g_{m}$は入力電圧に依存するため、入力と出力の関係は非線形となる。しかし、ソースに抵抗を挿入すると負帰還により電圧利得の $g_{m}$ への依存性が減り、線形性を向上させることができる。しかし、ソース抵抗がない場合に比べて利得が下がる。小信号電圧利得は

$A_{v}={\frac {v_{o}}{v_{i}}}=-{\frac {R_{D}}{R_{S}}}g_{m}\cdot R_{S}||{\frac {R_{D}+r_{o}}{1+g_{me}r_{o}}}$、

出力抵抗は

$r_{out}=R_{D}||(r_{o}+R_{S}+g_{me}r_{o}R_{S})$

となる($g_{me}=g_{m}+g_{mb}$、$g_{mb}$ は基板効果による)。基板効果を無視し($g_{mb}=0$)、$r_{o}\gg R_{D}$、$g_{m}r_{o}\gg 1$で、さらに$R_{S}\gg 1/g_{m}$の場合、

$A_{v}\approx -{\frac {g_{m}R_{D}}{1+g_{m}R_{S}}}\approx -{\frac {R_{D}}{R_{S}}}$、

$r_{out}\approx R_{D}$

と単純化される。

カスコードトランジスタの挿入

図 3: カスコードトランジスタ付きソース接地回路（バイアス等の詳細は省略）

カスコードトランジスタ(M2)を挿入すると、入力トランジスタ(M1)のドレイン間の増幅率が小さくなるためミラー効果による実質入力容量の増大を抑制することができる。この回路の小信号電圧利得は

$A_{v}={\frac {v_{o}}{v_{i}}}=-{\frac {g_{m1}r_{o2}\cdot R_{D}||(r_{o1}+r_{o2}+g_{me2}r_{o1}r_{o2})}{r_{o1}+{\frac {1}{g_{me2}}}||r_{o2}}}$

で、$r_{o}=r_{o1}=r_{o2}$、$g_{m}=g_{m1}=g_{me2}$、$r_{o}\gg R_{D}$、$g_{m}r_{o}\gg 1$ の場合、

$A_{v}\approx -g_{m}R_{D}$

と単純化され、カスコードトランジスタがない場合と利得は同じになる。また、M1のゲート・ドレイン間の小信号利得は

${\frac {v_{x}}{v_{i}}}=-g_{m1}\cdot {\frac {R_{D}+r_{o2}}{1+g_{me2}r_{o2}}}||r_{o1}\approx -1$

と低い値になるため、カスコードトランジスタがない場合に比べてミラー効果が大幅に抑制される。

• この回路はソース接地回路とゲート接地回路の組み合わせと考えることもできる。

• カスコードトランジスタのゲート($V_{B}$)は直流電圧源に接続される。その電圧は、M1が飽和領域で動作するよう十分高く、かつM2も飽和領域で動作するよう十分低くなければならない。

用途

無線受信機の低雑音増幅器などに広く使われている。

関連項目

エミッタ接地回路

参考文献

• Behzad Razavi, Design of Analog CMOS Integrated Circuits, McGraw-Hill, Inc., New York, NY, 2000
• 松澤昭，アナログRFCMOS集積回路設計 基礎編，培風館，2010年