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。

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。

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。

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。

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。

無線受信機の低雑音増幅器などに広く使われている。

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