FET増幅回路

このページでは、FET増幅回路について、初心者の方でも解りやすいように、基礎から解説しています。また、電験三種の理論科目で、実際に出題されたFET増幅回路の過去問題の解き方も解説しています。

FETのバイアス回路
1. 固定バイアス回路
2. 自己バイアス回路
電験三種－理論（電子回路）過去問題

FETのバイアス回路

FET増幅回路を安定して動作させるためには、適切な動作点（ $I_D$ , $V_{GD}$ , $V_{DS}$）を設定することが重要です。FETのバイアス回路には、固定バイアス回路と自己バイアス回路があります。

固定バイアス回路

接合形FETの固定バイアス回路では、ドレインーソース間の電圧 $V_{DS}$ は次の式で求めることができます。

$V_{DS}=V_{DD}-R_DI_D$

例えば、$V_{DD}=12$ [V]、$R_D=10$ [kΩ]とすると、次の図のような負荷線 AB が引けます。

この中心付近を動作点 Q とすると、$I_D=0.6$ [mA]、$V_{GS}=-0.5$ [V]になります。したがって、$V_{GG}$ は、$0.5$ [V]の電源を用いれば良いということになります。抵抗 $R_G$ には、電流がほとんど流れません。$I_D$ と $V_{GS}$ の関係は、

$I_D＝I_{DSS}\left(1-\displaystyle\frac{V_{GS}}{V_p}\right)^2$

となります。ここで、$I_{DDS}$ は、$V_{GS}=0$ のときのドレイン電流、$V_P$ はピンチオフ電圧です。

固定バイアス回路は、ソースの電圧がゼロなので電源の利用率が良いのですが、2個の電源が必要なことと、$I_{DSS}$ と $V_P$ のばらつきがそのまま $I_D$ に反映してしまうといった欠点があるため、実際にはあまり利用されていません。

自己バイアス回路

接合形FETの自己バイアス回路では、抵抗 $R_S$ による電圧降下がバイアス電圧 $V_{GS}$ となります。

$V_{GS}=-R_SI_D$

また、ドレーンーソース間の電圧 $V_{DS}$ は、次の式で求めることができます。

$V_{DS}=V_{DD}-(R_D+R_S)I_D$

例えば、$R_D+R_S=10$ [kΩ]とすると、次の図のような負荷線 AB が引けます。

また、$R_D>>R_S$ であることを考えると、

$V_{DS}≒V_{DD}-R_DI_D$

に近似すると考えることができます。

電験三種－理論（電子回路）過去問題

2000年（平成12年）問13

図1は、MOS形FET増幅回路を示し、図2は、そのFETの静特性を示す。ただし、R₁=10 [kΩ]、R₂=20 [kΩ]、R_L=4 [kΩ]、V_DD=12 [V]とするとき、次の(a)及び(b)に答えよ。

(a) ゲート・ソース間電圧 V_GS [V] の値として、正しいのは次のうちどれか。

(1) 2　(2) 3　(3) 4　(4) 5　(5) 6

(b) 入力交流電圧 $v_i$ [V]の最大値が 1 [V] のときの出力交流電圧 $v_o$ [V] を、図2の静特性曲線から求めた場合、$v_o$ [V] の最大値の値として、正しいのは次のうちどれか。

(1) 1　(2) 2　(3) 3　(4) 4　(5) 5

2000年（平成12年）問13　過去問解説

(a) ゲート・ソース間電圧 $V_{GS}$ [V] は、$R_1$ [Ω] の電圧に等しいので、

$V_{GS}=V_{DD}×\displaystyle\frac{R_1}{R_1+R_2}=12×\displaystyle\frac{10}{10+20}=4$ [V]

答え (3)

(b) 負荷線を引いて考えます。問題からトランジスタの靜特性曲線が与えられているので、これを使います。まずドレイン・ソース間電圧ですが、ドレイン電流が流れないとき、つまりドレインにかかる最大値は $V_{DD}$ であり12 [V]ですので、この点を選びます。次に、ドレイン電流の最大値は、

$I_D=\displaystyle\frac{V_{DD}}{R_L}=\displaystyle\frac{12}{4×10^{-3}}=3$ [mA]

この2点を直線で結ぶと次の図のようになります。

ゲート・ソース間の電圧 $V_{GS}=4$ [V] に注目すると、入力交流電圧 $v_i$ [V] の最大値が 1 [V] のときの出力交流電圧 $v_o$ [V]は２ [V] になります。

答え (2)

2005年（平成17年）問17

図のようなFET増幅回路がある。次の(a)及び(b)に答えよ。
ただし、R_A、R_B、R_C、R_D、R_E は抵抗、C₁、C₂、C₃ はコンデンサ、V_DD は直流電圧源、I_D はドレーン電流、v₁、v₂ は交流電圧とする。

(a) 図の増幅器のトランジスタは、接合形の(　ア　)チャネルFETであり、結合コンデンサは、コンデンサ(　イ　)である。
また、抵抗(　ウ　)は、温度変化に対する安定性を高める役割を果たしている。

上記の記述中の空白箇所(ア)，(イ)及び(ウ)に記入する記号として、正しいものを組み合わせたのは次のうちどれか。

	(ア)	(イ)	(ウ)
（１）	n	C₁、C₃	R_A、R_B
（２）	p	C₁、C₂	R_B、R_C
（３）	n	C₁、C₂	R_B、R_D
（４）	p	C₂、C₃	R_A、R_B
（５）	n	C₁、C₃	R_B、R_C

(b) ドレーン電流 I_D=6 [mA]、直流電圧源 V_DD=24 [V] とし、ゲート・ソース間電圧 V_GS=-1.4 [V] で動作させる場合、抵抗 R_A、R_B の比 R_A/R_B の値として、最も近いのはどれか。
ただし、抵抗 R_C=1.6 [kΩ] とする。

(1) 1.2　(2) 1.9　(3) 2.4　(4) 3.8　(5) 4.7

2005年（平成17年）問17　過去問解説

(a) 図の増幅器のトランジスタは、接合形の(　n　)チャネルFETであり、結合コンデンサは、コンデンサ(　C₁、C₃　)である。
また、抵抗(　R_A、R_B　)は、温度変化に対する安定性を高める役割を果たしている。

答え (1)

(b) 抵抗 $R_B$ の両端の電圧を $V_B$ とすると、

$V_B=\displaystyle\frac{R_B}{R_A+R_B}V_{DD}$

$V_B$ は、$V_B=V_{GS}+I_DR_C$ の関係にありますので、

$V_{GS}+I_DR_C=\displaystyle\frac{R_B}{R_A+R_B}V_{DD}$

$-1.4+6×10^{-3}×1.6×10^{3}=\displaystyle\frac{R_B}{R_A+R_B}×24$

$\displaystyle\frac{R_A+R_B}{R_B}=\displaystyle\frac{24}{8.2}$

$\displaystyle\frac{R_A}{R_B}+1≒2.93$

$\displaystyle\frac{R_A}{R_B}≒1.9$

答え (2)

2009年（平成21年）問13

図１にソース接地のFET増幅器の静特性に注目した回路を示す。この回路のFETのドレーン-ソース間電圧 $V_{DS}$ とドレーン電流 $I_D$ の特性は、図２に示す。図１の回路において、ゲート-ソース間電圧 $V_{GS}=-0.1$［V］のとき、ドレーン-ソース間電圧 $V_{DS}$［V］、ドレーン電流 $I_D$［mA］の値として、最も近いものを組み合わせたのは次のうちどれか。
ただし、直流電源電圧 $E_2=12$［V］、負荷抵抗 $R=1.2$［kΩ］とする。

　　$V_{DS}$　$I_D$
(1) 　0.8　　　5.0
(2) 　3.0　　　5.8
(3) 　4.2　　　6.5
(4) 　4.8　　　6.0
(5) 　12　　　8.4

2009年（平成21年）問13　過去問解説

負荷線を引いて考えます。図１の回路より、ドレーン電流 $I_D$ は、

$I_D=\displaystyle\frac{E_2-V_{DS}}{R}$

$V_{DS}=12$ [V]のときは、

$I_D=\displaystyle\frac{12-12}{1.2×10^3}=0$ [mA]

$V_{DS}=0$ [V]のときは、

$I_D=\displaystyle\frac{12-0}{1.2×10^3}=10$ [mA]

この2点を直線で結ぶと次の図のようになります。

この直線は負荷線で、ゲート-ソース間電圧 $V_{GS}=-0.1$［V］のとき、ドレーン電流 $I_D=6$［mA］になります。そのときの、ドレーン-ソース間電圧 $V_{DS}$［V］は、

$V_{DS}=E_2-RI_D=12-1.2×10^3×6×10^{-3}=4.8$［V］

答え (4)

2012年（平成24年）問18

図１は、飽和領域で動作する接合形FETを用いた増幅回路を示し、図中の v_i 並びに v_o はそれぞれ、入力と出力の小信号交流電圧 [V] を表す。また、図２は、その増幅回路で使用するFETのゲートソース間電圧 V_gs [V] に対するドレーン電流 I_d [mA] の特性を示している。抵抗 R_G＝1 [MΩ]、R_D＝5 [kΩ]、R_L＝2.5 [kΩ]、直流電源電圧 V_DD＝20 [V] とするとき、次の(a)及び(b)の問に答えよ。

(a) FETの動作点が図２の点Ｐとなる抵抗 R_S [kΩ] の値として、最も近いものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

(1) 0.1　(2) 0.3　(3) 0.5　(4) 1　(5) 3

(b) 図２の特性曲線の点Ｐにおける接線の傾きを読むことで、FETの相互コンダクタンスが g_m＝6 [mS] であるとわかる。この値を用いて、増幅回路の小信号交流等価回路をかくと図３となる。ここで、コンデンサ C₁、C₂、C_S のインピーダンスが使用する周波数で十分に小さいときを考えており、FETの出力インピーダンスが R_D [kΩ] や R_L [kΩ] より十分大きいとしている。この増幅回路の電圧増幅度 $A_V=\left|\displaystyle\frac{v_o}{v_i}\right|$ の値として最も近いものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

(1) 10　(2) 30　(3) 50　(4) 100　(5) 300

2012年（平成24年）問18　過去問解説

(a) 動作点Ｐは直流回路ですので、コンデンサーはないものとして考えます。図１の等価回路は次のようになります。

$R_S$ に流れる電流は $I_d$ ですので、$R_S$ の端子電圧 $V_{RS}$ は、

$V_{RS}=I_dR_S$

また、等価回路図より、

$V_G=V_{gs}+V_{RS}$

動作点Pでは$V_{gs}=-1.8$ [V]のとき、$I_d=1.8$ [mA]ですので、

$V_G=V_{gs}+V_{RS}$
$V_G=V_{gs}+I_dR_S$
$0=-1.8+1.8×10^{-3}×R_S$
$R_S=1$ [kΩ]

答え (4)

(b) 図(3)より

$v_o=-\displaystyle\frac{R_DR_L}{R_D+R_L}i_d=-\displaystyle\frac{R_DR_L}{R_D+R_L}g_mv_i$

$\begin{eqnarray}A_V&=&\left|\displaystyle\frac{v_o}{v_i}\right|\\\\&=&\displaystyle\frac{R_DR_L}{R_D+R_L}g_m\\\\&=&\displaystyle\frac{5×10^3×2.5×10^3}{5×10^3+2.5×10^3}×6×10^{-3}\\\\&=&10\end{eqnarray}$

答え (1)