Common-Source Versterker (IGFET)

De common-source (CS) trap is het paard van de MOSFET (IGFET) versterkerontwerp. Het levert de hoogste spanningsversterking onder de drie basale MOSFET-topologieën, wat het ideaal maakt voor audio, RF en mixed-signal toepassingen.

Belangrijkste Kenmerken

• Spanningsversterking (Av) ≈ –g_m·R_out (typisch 20–50 V/V)
• Invoerimpedantie – zeer hoog (megaohms tot gigaohms)
• Uitgangsimpedantie – laag (honderden ohms tot een paar kilohms)
• Bandbreedte – beperkt door het Miller-effect en parasitaire capaciteiten

Biasing & DC Werkpunt

Correcte biasing zorgt voor operatie in de verzadigingsregio, waar de MOSFET zich gedraagt als een spanning-gecontroleerde stroombron. Veelvoorkomende bias schema's zijn:

• Weerstanddeler met een brondegeneratie weerstand voor lineariteit en biasstabiliteit.
• Zelf-bias met een diode-gekoppelde MOSFET om V_GS automatisch in te stellen.
• Spanningsmodus biasing met een referentiespanning en stroomspiegel last voor precisie.

Lastkeuzes

Drie typische lastconfiguraties worden gebruikt om versterking, uitgangsschommeling en lineariteit af te wegen:

• Weerstandslast – eenvoudig, maar beperkt door vermogensdissipatie.
• Stroomspiegel last – verdubbelt de effectieve lastweerstand, versterking verhoogd.
• CMOS last (p-MOS + n-MOS) – biedt hoge uitgangsschommeling en lage vervorming.

Frequentierespons

De Miller-capaciteit (C_gs·(1 – Av)) vermindert de hoge-frequentie bandbreedte dramatisch. Technieken om dit te mitigeren zijn:

• Gebruik een lage-capaciteit transistor (bijv. JFET of low-C_gs CMOS).
• Toevoegen van een terugkoppelweerstand tussen drain en source.
• Inzetten van een cascode trap om C_gs van de uitgang te isoleren.

Praktisch Ontwerpvoorbeeld

 # Parameters VDD = 5.0 V Rsource = 1 kΩ Rd = 10 kΩ M1 = N-kanaal MOSFET (Vth = 1.5 V) # Bias berekening VGS = VDD – ID·(Rd + Rsource) # Kies ID = 2 mA → VGS ≈ 3.0 V # Versterking gm = 2·ID / (VGS – Vth) ≈ 1.33 mS Av ≈ –gm·(Rd || ro) ≈ –12 V/V 

Toepassingen

• Audio preversterkers – hoge versterking, matige bandbreedte.
• RF mixers – lineariteit en lage ruiscijfer.
• Digitale logica niveauverschuiving – hoge invoerimpedantie.

Door biasing, lastselectie en Miller-effect mitigatie te beheersen, kunnen ontwerpers het volledige potentieel van de common-source versterker benutten voor een wijd scala aan elektronische schakelingen.