MOSFET 動作点計算ツール
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。Horowitz & Hill の『Art of Electronics』（第3版、第3章）によると、MOSFET は飽和領域で電圧制御電流源として動作します：Id = K(Vgs - Vth)²、ここで K = μnCox(W/L)/2 です。BJT と異なり、MOSFET の入力抵抗は事実上無限大（10¹²～10¹⁴ Ω）で、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型デバイスで通常 1～4V です。温度係数はVthで+3mV/°C、移動度で-0.3％/°Cです。Idは温度とともに低下するため、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。飽和状態には Vds > Vgs-Vth が必要です。Vgs の計算:Id = K (Vgs- Vth)², so 0.005 = 0.1× (Vgs- 2.1)². Vgs-Vth = √0.05 = 0.224V、Vgs = 2.32V)Vdsのドレイン抵抗Rdを6V (50% ヘッドルーム) に設定:Vds = Vdd-Id×Rd, Rd = (12V-6V) /5mA = 1.2kΩ. ゲートバイアス:R1を備えたシンプルな抵抗分圧器 = 1MΩ, R2 = 240kΩ は、Vg = 12V × 240k/ (1M+240k) = 2.32Vとなります。ソースバイパスコンデンサ 10μF は、AC信号を結合させながらDC動作点を維持します。
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 のばらつきを無視 — 2N7000はVth = 0.8-3Vと指定する。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 を考慮して設計する
- ✗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/(2πCiss)
よくある質問
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