Common-Source-Verstärker (IGFET): Design, Biasing und Leistung

Common-Source-Verstärker (IGFET)

Die Common-Source-(CS)-Stufe ist das Arbeitspferd des MOSFET-(IGFET-)Verstärkerdesigns. Sie liefert die höchste Spannungsverstärkung unter den drei grundlegenden MOSFET-Topologien und eignet sich ideal für Audio-, RF- und Mixed-Signal-Anwendungen.

Wesentliche Eigenschaften

• Spannungsverstärkung (A_v) ≈ –g_m·R_out (typisch 20–50 V/V)
• Eingangs-impedanz – sehr hoch (Megaohm bis Gigaohm)
• Ausgangs-impedanz – niedrig (hundert Ohm bis wenige Kilohm)
• Bandbreite – begrenzt durch Miller-Effekt und parasitäre Kapazitäten

Biasing & DC-Arbeitspunkt

Korrektes Biasing sichert den Betrieb im Sättigungsbereich, wo der MOSFET wie eine spannungsgesteuerte Stromquelle wirkt. Gängige Bias-Schemata umfassen:

• Widerstandsteiler mit Source-Degeneration-Widerstand für Linearität und Bias-Stabilität.
• Self-Bias mittels diode-verbundenem MOSFET zur automatischen V_GS-Einstellung.
• Spannungsmodus-Biasing mit Referenzspannung und Stromspiegel-Last für Präzision.

Lastwahl

Drei typische Lastkonfigurationen werden verwendet, um Verstärkung, Ausgangshub und Linearität abzuwägen:

• Ohmsche Last – einfach, aber durch Leistungsverlust begrenzt.
• Stromspiegel-Last – verdoppelt den effektiven Lastwiderstand, steigert Verstärkung.
• CMOS-Last (p-MOS + n-MOS) – bietet großen Ausgangshub und geringe Verzerrung.

Frequenzgang

Die Miller-Kapazität (C_gs·(1 – A_v)) reduziert die Hochfrequenz-Bandbreite drastisch. Techniken zur Milderung umfassen:

• Verwendung eines niederkapazitiven Transistors (z. B. JFET oder Low-C_gs CMOS).
• Hinzufügen eines Rückkopplungswiderstands zwischen Drain und Source.
• Einsatz einer Cascode-Stufe zur Isolation von C_gs vom Ausgang.

Praktisches Design-Beispiel

 # Parameter VDD = 5,0 V Rsource = 1 kΩ Rd = 10 kΩ M1 = N-Kanal MOSFET (Vth = 1,5 V) # Bias-Berechnung VGS = VDD – ID·(Rd + Rsource) # Wählen Sie ID = 2 mA → VGS ≈ 3,0 V # Verstärkung gm = 2·ID / (VGS – Vth) ≈ 1,33 mS Av ≈ –gm·(Rd || ro) ≈ –12 V/V 

Anwendungen

• Audio-Vorverstärker – hohe Verstärkung, moderate Bandbreite.
• RF-Mischer – Linearität und niedriges Rauschmaß.
• Digitaler Pegelwandler – hohe Eingangs-impedanz.

Durch Beherrschung von Biasing, Lastauswahl und Miller-Effekt-Milderung können Designer das volle Potenzial des Common-Source-Verstärkers für eine breite Palette elektronischer Schaltungen ausschöpfen.