razavi 一段増幅回路 演習3.15(再投稿)

質問

画像の回路で、Vin<VthのときVout=Vddになるのは以下の理解で良いのでしょうか？

Vin<Vth のときMOSFETのM1がオフ。
このときドレインとソース間はオープンしているわけではないので、VoutはRDとRsとM1のオン抵抗Ron、の3抵抗の分圧になる。

→Vout=Vdd × (Ron +Rs)/(RD+Ron+Rs)
でもM1のオン抵抗RonはRD,Rsに比べ非常に大きい(具体的にはどれくらい差があるか知らない、kΩとMΩくらい？)

→Vout≒Vdd

結果的にM1の部分でオープンしているといえるのでしょうか？そのためVout=Vdd。

よろしくお願いします。

回答No.4

ohkawa3 · ベストアンサー

RD、MOSFET自体の抵抗、RSの分圧で扱うことは真っ当な考え方だと思います。
Vin<Vthで、MOSFETはOFFと扱うのであれば、MOSFET自体の抵抗を無限大と扱って構わないということなので、分圧云々を議論することなく、Vout=Vddとしていいと思います。
MOSFET自体の抵抗を無限大と扱うということは、RD、MOSFET、RSの作る回路に全く電流が流れていないということです。

お礼

回答ありがとうございます。解決しました！
オフの時少量の電流が流れてるのかな、、などと考え込んでしまいました。導通していないとして問題ないという事ですね、確かにそうでないとスイッチングと言えないですね、、。ありがとうございました！

回答No.3

ohkawa3

回答(2)追記
MOSFETメーカーのデータシートでは、先の回答に記載したように、理想的なON/OFF特性ではない（アナログ的に変化する）ことを前提に、所定のIDが流れる条件でVth定義します。
一方で、電子工学の教科書では、理想的なON/OFF特性を行うことを仮定して、ON/OFFの丁度境目に相当するゲート電圧をVthと定義する場合もあると思います。
ご質問者さんが、試験問題などで疑問を感じているとしたならば、MOSFETのON/OFF特性を理想化しているのか、現実的な扱いをしているのか、設問の前後関係で判断する必要があるかもしれません。

補足

回答ありがとうございます。
問題の回答はVin<VthではmosfetはOFFの扱いで、Vin>VthでON(飽和領域)としています。

画像が追加できないので、すみませんが口頭で追加質問させて下さい。

M1が無いとき(抵抗２つの回路にしたとき)、Voutは抵抗2つの分圧になる、で合っているでしょうか？
しかしM1を追加して、M1がオフになるとVoutは分圧ではなくVddになるのがわからないです…。電流が流れてないのでしょうか。
分圧はたぶん電流が流れている時でないと成り立たない、、ですよね。

最初の質問がわかりづらく、初歩的なところでつまづいてる気がしており申し訳ないのですが、よろしくお願いいたします。

回答No.2

ohkawa3

Vthは、MOSFETがON状態、又はOFF状態からON状態への遷移状態となるゲート電圧です。一般的には、次のURLに示すようにID＝1mAで定義している場合が多いようです。
https://detail-infomation.com/mosfet-threshold-voltage/
従って、ゲートにVthの電圧を加えた場合は、MOSFETは完全にOFFの状態ではないので、Vout=Vddということは不適切なように思います。

Vin<<Vthのときであれば、MOSFETは完全にOFFの状態になるとみなせるので、Vout=Vddになると言ってよいと思います。

いずれにしても、MOSFETはアナログ的な動作をするので、ゲートにVthの電圧を加えた場合は、理想的ON状態と、理想的なOFF状態の中間にあると扱うことが適切と思います。

回路動作を簡潔に説明するための割り切りと、実際のONからOFFへの切り替わりの実態には差異があります。

回答No.1

FattyBear

MOS FETには二つの特性の異なる素子の区分があります。
デプレッションモードとエンハンスメントモードです。
----------------------------------------------------------------------
デプレッションモード
ゲート電圧0Vでドレイン電流が流れ、
ゲート電圧0V付近のゲート電圧ドレイン電流特性は
概ね直線的なので小信号増幅に適しています。
---------------------------------------------------------------------
エンハンスメントモード
ゲート電圧が閾値未満ではドレイン電流はOFF、
ゲート電圧が閾値を越えるとドレイン電流がON、
閾値付近でゲート電圧ドレイン電流は非線形になるので、
スイッチング用途に適しています。
-----------------------------------------------------------------------
増幅回路ということなのでそのMOSFETはデプレッションモード
のFETでしょう。そのFETの入力OPEN時のドレイン電流とRdの抵抗値
によりVout≒Vddになるか,どの程度Vout=Vddと言えるかは不明。
だと考えます。問題の条件としてどちらのモードのFETかの説明は？

補足

回答ありがとうございます。
どちらのモードかの記載はありませんでした。
本書がVgs=0.7Vで閾値電圧として話進めているので、おそらくエンハンスメントモードなのかなと思われます。。