MOSFETオペレーション・ポイント・カリキュレータ
NMOSトランジスタのMOSFETドレイン電流、飽和電圧、トランスコンダクタンス、および動作領域 (カットオフ、三極管、飽和) の計算
公式
仕組み
MOSFET動作点計算機は、RFアンプ、パワーステージ、およびアナログスイッチに不可欠なリニアアンプおよびスイッチングアプリケーションのDCバイアス条件（Vgs、Vds、Id）を計算します。RF エンジニア、パワーエレクトロニクス設計者、および IC レイアウトエンジニアは、これを使用して適切なゲートドライブを確立し、目的の領域 (カットオフ、リニア、または飽和) での動作を保証します。ホロウィッツ・アンド・ヒルの「アート・オブ・エレクトロニクス」（第3版、第3章）によると、MOSFETは飽和状態では電圧制御電流源として動作します。Id = K（Vgs-Vth）²（K = μNCOx（W/L）/2）。BJTとは異なり、MOSFETは実質的に無限の入力抵抗 (10²-10Ω)、DCゲート電流はゼロ、しきい値電圧Vthはエンハンスメント・モード・デバイスでは通常1〜4Vです。温度係数は Vth が +3mV/°C、移動度が -0.3% /°Cです。Id は温度とともに低下し、固有の熱安定性が得られます。
計算例
Id = 5mA、Vdd = 12Vのオーディオ出力段用に、2N7000 (Vth = 2.1V、K ≈0.1 A/V²) を使用してMOSFETソースフォロワーバッファを設計します。サチュレーションには Vds > Vgs-Vth が必要です。Vgs の計算:Id = K (Vgs-Vth) ² なので、0.005 = 0.1× (Vgs-2.1) ² となります。Vgs-Vth = √0.05 = 0.224V、Vgs = 2.32V。Vdsのドレイン抵抗Rd = 6V (50% ヘッドルーム): Vds = Vdd-Id×Rd、Rd = (12V-6V) /5mA = 1.2kΩ を設定します。ゲートバイアス:R1 = 1MΩ、R2 = 240kΩのシンプルな抵抗分圧器により、Vg = 12V × 240k/ (1m+240k) = 2.32Vが得られます。ソース・バイパス・コンデンサ 10μF は DC 動作点を維持しながら AC 信号をカップリングできます。
実践的なヒント
- ✓バイアスを安定させるには、ソース変性抵抗Rsを使用してください。温度によるIdの変化により、Vs = Id×Rsを通じて負のフィードバックが生成されます。
- ✓スイッチング・アプリケーションでは、Vgs > Vth + 5Vを確保して完全に強化してください。これにより、データシートで規定されているRds (on) が得られます (通常はVgs = 10V)。
- ✓パワーMOSFET (IRFZ44N) のVth = 2-4V、ロジックレベルMOSFET (IRLZ44N) のVth = 1-2Vのマイクロコントローラ直接駆動が可能です
よくある間違い
- ✗増幅は飽和領域ではなく線形領域で動作します。線形領域では抵抗挙動が変化し、飽和領域では電圧ゲインに不可欠な定電流動作が得られます
- ✗Vth の変動は無視してください。2N7000 では Vth = 0.8-3V と指定されています。最小ゲート駆動量を設定するときは、必ずワーストケースの VTH_max になるように設計してください
- ✗高周波でのゲート容量を無視すると、標準Ciss=20-100pFが帯域幅を制限します。遷移周波数の計算 ft = gm/（2π CISS）
よくある質問
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