ダイオード接続

MOSFET

この記事ではMOSFETのダイオード接続について説明します.
カレントミラーにも含まれる重要な回路です.

ダイオード接続とは

ダイオード接続とは次の図のようにゲートとドレインを接続することを言う.

ダイオード接続では\( V_{\rm GS} = V_{\rm DS} \) なので

\[
I_{\rm DS} = K_{\rm n}’ \frac{W}{L} \left( V_{\rm DS} – V_{\rm TH} \right)^2
\label{eq:diode_mos}
\]

になる.
ダイオード接続でないとき,ドレインソース間電圧が\( V_{\rm DS} = V_{\rm GS} – V_{\rm TH} \) より大きいときは飽和領域で動作する.
この曲線から考えると,式\eqref{eq:diode_mos}は\( V_{TH} \)分だけシフトしたような特性になる.

特性がダイオードに似ているので上のような接続の仕方をダイオード接続と呼ぶ.

ダイオード接続の小信号等価回路

ダイオード接続を小信号回路で考えると図のようになる.

\( g_{\rm m}v_{\rm GS}\)の電流源は\( 1/g_{\rm m}\) の抵抗として見たらよいので,ダイオード接続のドレインソース間抵抗\( r_{\rm ds}\) は

\[ r_{\rm ds} = \frac{1}{g_{\rm m}} // r_{DS} \simeq \frac{1}{g_{\rm m}}\]

となる.
\( r_{\rm DS} \) は\( 1/g_{\rm m}\)よりも大きい場合が大きいため概算で使う場合には\( 1/g_{\rm m}\)としても良い.

高周波におけるダイオード接続の特性

高周波になるとゲートソース間容量\( C_{\rm GS} \)とドレインソース間容量 \( C_{\rm DS} \) を考えなければならない.
上で考えた等価回路に容量を加えるので次のような等価回路になる.

\( r_{\rm DS} \)が\( 1/g_{\rm m} \)に対して大きいとすると,

\[
{\rm BW} = \frac{g_{\rm m}}{2 \pi (C_{\rm GS} + C_{\rm DS})} \simeq \frac{f_{T}}{2}
\]

になる.
よって,高い周波数まで動作させるときはトランジット周波数 \( f_{\rm T} \) が高いほうが良く,ゲート長\( L \) が長いMOSFETを用いて高い\( V_{\rm GS} – V_{\rm TH}\)で動作させると良い.

まとめ

MOSFETのゲートとドレインを接続することをダイオード接続と呼び,ダイオードに似た特性を示す.
カレントミラーや差動増幅の負荷として用いられるのでそれなりに重要.

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