増幅素子単体のゲインと位相特性

一般的な半導体増幅素子について、種類ごとにその高域特性の概要と、手持ちで良く使う品種のデータも一覧表にリストアップしてまとめます。 １、バイポーラトランジスタ (BJT) 高域特性に関するパラメータは、以下の３つが最大要因。 　・ｆt：hfeが１に低下する周波数（MHz） 　・Ｃob：コレクタ出力容量（pF） 　・ｒbb' ：ベース広がり抵抗（Ω） 単純には ｆtが高いほど高周波まで使える。（使用場所によるが、概ねｆtの1/10周波数が目安。詳しくは次の回路方式の所で検討する。） 注意しなければならないのは、カタログ表記のｆtは指定Ic条件の時であり、Iｃの値によってｆtは大きく変わる。ｆt=1.1GHzの2SC4201よりも、ｆt=100MHzの2SC2240の方が1mAではｆtは高いのである。（2SC4201は1mAではｆt=70MHzまで落ちる） つまり、使いたい動作条件での実効ｆtの値が大きい品種を選択しないと意味がない。 例えば2SA970(hFE=400)を1mAで使うと、ft=100MHzなのでｆt/hFE=250kHzでhfeは低下を始め、1MHzでhfe=100, 10MHzでhfe=10になる。 位相は250kHzで45°回り、10MHzではほぼ90°回る。つまり、高域ではトランジスタを１個通過する毎に電流位相は90°ずつ回るので、何も位相補正をしないと２段増幅では容量負荷時には３次の遅れ要素となり、NFB時に容易に発振してしまう。 低ｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽ＝低電圧・大電流の回路ではhfe（電流ゲイン）が支配的であるが、高ｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽ回路ではCobの影響が大きくなる。つまり、Ic/hfeのベース電流の他にCobの充電電流が加算されるので、大振幅の高周波ではそちらが支配的になってくる。 例えば1MHzで40Vpeakの振幅ではSR=250V/μsなので、Cob=4pFなら1mApeakの充電電流がベース電流に加算される。大振幅の高周波を扱うには、1pFでもCobの小さい素子が欲しくなる。連続した高周波を出す必要がない場合でも、パルス応答の限界SRはCobの充電電流で決まるのでCobは小さい方が望ましい。 ｒbb'の影響はｆtに近い周波数でgmの低下として現れる。電流駆動する差動やE接地回路、ｴﾐｯﾀﾌｫﾛﾜではｒbb'はRgに加算されるだけなので影響は少ない。 但し、位相補正の結果として高域でベースを数10Ω以下の低ｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽで駆動する場合、Rbb'*Cjeで発生するポールが新たな遅れ要素となるので注意が必要。 2SC1815では小電流時でRbb'=50Ω, Cje=25pF程度なのでこのカットオフは130MHz付近になる。小電流ではｆtが小さいので影響は少ないが、大電流ではｆtが伸びるのに対し大gmでﾍﾞｰｽｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽが下がる(Cjeが増大する)ので相対的にRbb'の影響が大きくなり、Rbb'*Cjeのｶｯﾄｵﾌ周波数も低下する。（2SC1815で5mAではCje=136pFでｆc=23MHzまで落ちる） 下に松下のRF用2SC1359のデータをカタログから引用する。 2mAでｆt=340MHzであり、bieの10.7MHz電流特性から2mAを超えるとCjeが増加するのが分かる。gm位相の90°超過量は100MHz時に1mAでは15°以下だが、2mAでCje増加で20°、4mAでは30°以上回っている。 高周波用のＴｒでは、ＳパラメータでS21e/S11eを見ればhfeのゲインと位相が確認できる。概ねｆｔの1/10で90°回り、さらにｆｔの1/2で135°程度回る物が多い。 Spice等のシミュレーターではhfeの位相は90°までしか回らないので、ダイヤモンドバッファなどダーリントンエミッタフォロワのft近くの発振をうまく再現できない。素子のパラメーターに "PTF=90" を追加するとこの余分な位相回転を加味して評価する事ができる。 以下に主要な品種のデータを表に記載する。カタログから読んだｆｔの電流特性も表示。用途の欄は AF：一般用、LN：低雑音用、Pre：電圧増幅段用、WB：広帯域増幅用である。 表は用途別に概ね動作条件でのｆｔが低い品種から順に高くなるように並べている。 用途 品番 ﾒｰｶｰ Vceo V Ic mA Pc mW hFE Cob @10V 公称ft(MHz) @mA ft@ 1mA ft@ 2mA ft@ 5mA ft@ 10mA ﾊﾟｯｹｰｼﾞ LN 2SA1084 2SC2546 日立 90 100 400 400 3.5 3.0 90@2m 60 50 90 120 180 130 260 To-92 LN 2SA872A 2SC1775A 日立 120 50 300 600 2.0 1.8 120@2m 200@2m 90 150 110 220 130 380 120 430 To-92 LN 2SA992 2SC1845 NEC 120 50 500 600 2.7 2.1 100@1m 110@1m 100 110 140 160 190 220 200 220 To-92 LN 2SA970 2SC2240 東芝 120 100 300 400 4.0 3.0 100@1m 100 - - - To-92 LN 2SA1016 2SC2362 三洋 100 50 400 300 400 2.2 1.8 110@1m 130@1m 110 130 160 170 210 230 230 250 To-92 AF 2SA733 2SC945 NEC 50 100 250 200 4.5 3.0 180@10m 250@10m 70 100 110 130 150 200 180 250 To-92 AF 2SA1015 2SC1815 東芝 50 150 300 250 4.0 2.0 >80@1m 100 140 220 250 280 To-92 AF 2SA933 2SC1740 Rohm 40 50 150 300 200 400 4.0 2.0 140@2m 180@2m 90 100 140 180 220 300 310 400 To-92 AF 2SA495 2SC372 東芝 30 150 400 140 5.0 2.0 200@10m 200@1m 150 200 200 300 250 450 260 500 To-92 AF 2SAR523 2SCR523 Rohm 50 100 200 220 2.0 1.6 300@10m 350@10m 120 110 200 190 290 300 330 380 SC-70 AF 2SA1032 2SC1345 日立 50 100 200 200 600 3.3 1.8 280@2m 230@2m 210 - 280 230 390 - 420 - To-92 AF 2N3906 2N3904 Farchild 40 200 625 150 180 2.2 1.6 >250@10m >300@10m 150? 200? - - 400? 500? To-92 Pre 2SA1145 2SC2705 東芝 150 50 700 150 2.5 1.8 200@10m 85 130 200 240 To-92L Pre 2SA1540 2SC3955 三洋 200 100 7W 140 3.1 2.4 300@30m 100 50 130 80 190 150 250 220 To-126 Pre 2SA1538 2SC3953 三洋 120 200 8W 140 3.7 2.7 400@50m 100 90 140 120 210 190 290 270 To-126 Pre 2SA1546 2SC4001 NEC 250 100 7W 150 5.0 3.5 300@30m 80 70 120 110 200 180 300 250 To-126 WB 2SA1402 2SC3596 三洋 60 300 8W 140 4.4 3.2 700@100m 80 120 250 230 380 350 To-126 WB 2SA1458 2SC3731 NEC 40 200 250 140 2.5 2.5 510@10m 180 210 250 300 400 430 510 SST WB 2SC4201 東芝 100 500 30W 100 6.0 1.1G@100m 70 130 280 440 To-220 ＬＮ用のA1084/C2546は低電流でのｆtは非常に小さいが、rbb'が小さいので帰還抵抗にＣを並列にして入力容量を打ち消せば100MHz程度までgmは低下しない。初段としてはｆt以上まで使える。 Cobの小さな品種はノイズの点ではあまり良くなく、Cobの大きめのチップサイズの大きな物がrbb'も小さくてローノイズである。 汎用(AF)の品種は耐圧50V程度が多いが、ｆｔは電流を増やせばかなり高くなる。世界的にポピュラーな2N3906/3904はCobも小さく、かなりRF寄りの特性である。2SA1031/1032もPNPとしてはかなりｆｔは高い。電源電圧を不要に高くしなければ、必要に応じて電流を流すことでこれらの汎用Ｔｒでも帯域20～30MHz程度までは十分カバーできる。 100kHzまでの低周波用途では、ゲインや大振幅時の直線性などの点で高hFEかつ高耐圧が必要なので、hFEの低い高周波用の石はむやみに使わない方が良い。NFBゲインクロスは10MHz程度に抑えても２次補正等のテクニックで数10kHzまでは十分な性能を得ることが出来る。 古くから「音が良い」と言われている品種は、高hFEで高耐圧、低Cobでftも高い物が多い。 耐圧が120V以上ある高電圧プリドライブ用の品種(Pre)は、ｆtが高い物でも5mAでは200MHz程度が限界である。耐圧を60Vまで落とせば、三洋のCRT-drive用の品種でft=700Mがあるが、これも5mAでは250MHz程度しかない。 100V耐圧でft=1Gを超えるNPN品種もあるが、本領を発揮するのは50mA以上の大電流を流した時であり、10mAでは400MHz程度にとどまる。 電源電圧が±40Vを超えるような大振幅では、CobによるSR制限が先に来るので小電流でのｆｔは200MHzあれば問題ないのである。10MHzを超える周波数で大振幅させるには、数10mA以上の電流を流して実効ｆｔを上げて対応することになる。（消費電力は大幅に増える） 次は高周波用の代表的な品種。（RF：高周波用、WB：広帯域増幅用） 用途 品番 ﾒｰｶｰ Vceo V Ic mA Pc mW hFE Cob @10V 公称ft(MHz) @mA ft@ 1mA ft@ 2mA ft@ 5mA ft@ 10mA ﾊﾟｯｹｰｼﾞ RF 2SA838 2SC1359 松下 20 30 250 100 1.2 0.9 300@1m 250@1m 350 300 420 340 500 340 480 300 To-92 WB 2SA1433 2SC3504 三洋 60 50 900 140 1.7 1.3 700@10m 320 300 460 600 650 700 750 To-92L RF BF550 BF840 NXP 40 25 250 90 0.5 0.3 325@1m 380@1m 325 380 - - - chip RF 2SA1005 2SC1189 NEC 40 30 250 90 1.1 0.5 400@1m 850@10m 400 - 500 - 560 - 600 850 To-92 WB 2SA711 2SC1216 NEC 40 20 100 200 300 120 140 2.5 3.0 1G@10m 500@10m 400 - 600 - 800 - 1G 500 TO-18 (Can) RF PN4258 Farchild 12 50 300 60 1.9 >700@10m 500 800 1.1G 1.3G To-92 RF 2SA1206 2SC2901 NEC 15 50 200 600 80 100 1.8 1.7 1.8G@10m 750@10m 750 350 1.1G 500 1.7G 700 1.8G 750 To-92 WB 2SA1723 2SC4660 三洋 20 300 5W 60 100 4.8 2.9 1.5G@50m 2.2G@50m 380 600 600 850 850 1.2G 1.2G 1.7G To-126 WB 2SA1224 2SC2952 NEC 25 20 250 800 5W 80 2.1 1.8 2.5G@50m 3.3G@60m 300 - 500 - 1G - 1.5G - TO-33 (Can) RF 2SA800 2SC1424 NEC 12 14 30 50 250 60 0.9 0.6 2G@10m 1G 1.4G 1.8G 2G TO-72 (Can) RF 2SA1161 2SC3355 東芝 NEC 8 12 30 100 200 600 50 100 0.8 1.0 3.5G@10m 6.5G@20m 1.5G 1.3G 2G 3G 3.2G 3.5G 4.5G To-92 Ic=1mAですでにｆt=300MHzを超える品種は耐圧の低いRF用しかない。その中で三洋のA1433/C3504は例外的に60Vの高耐圧を持ち、Cobも非常に小さい。許容損失も大きいので高周波・高電圧用途には非常に使いやすい。（Chip型のA1580/C4104もある） BF550/BF840(NXP)や2SA1005/2SC1189は耐圧40Vで高ｆt低Cobの代表選手。(Chip型のA1226もある) C1189は安く入手できないので±15V電源なら安価な2SC1923 (Vceo=30V, ft=900M @5mA)がコンプリに使える。これらの品種をft>500MHzになる条件で使えば、帯域50MHz程度までが実現可能。 なお、RF用の品種はいずれもhFEが小さく200を超える物はほとんどない。低周波での1/f電流ノイズも大きいので雑音に影響する初段周りでは要注意である。 2SA711はft=1GHzに達するPNPで40Vの高耐圧を持つ。これとｺﾝﾌﾟﾘのC1216(C639)は耐圧とftで劣るのが残念。Can型ではC1254(25V1GHz), C1260(25V2GHz)がコンプリ的に使える。小電流で使えるft>500MHzのNPNでVceo耐圧40Vを超えるのはC3504(60V), C1189(40V)位で、C1360A(60V), C3731(40V)は10mAでやっと500MHzに届く。 三洋の2SA1403/2SC3597 (60V0.5A10W, ft=800MHz)等は小電流ではftが伸びないので30mA流さないとft=500MHzに達しない。 BW=100MHz以上の高周波ではft=1GHz以上が必要だが、±12V電源で50Ω負荷をドライブできるｺﾝﾌﾟﾘ品種はNECのA1224/C2952と三洋のA1723/C4660しかない。（表面実装のA1724/C4504、２素子複合のCPH6071もある） カタログ上ではA1960/C5225 (80V1.3GHz)もあるが入手不能。 PNP品ではPN4258（代替品=MMBTH81）やA1206(A1459, A1462, A1610), A1161(A1245)等が定番で、ft>4GHzのPNPはA1228 (A1424, A1223: ft=4G), A1963(ft=5G), A1978(ft=5.5G), A1230(ft=8G), A1977(ft=8.5G)があるが入手は難しい。 ディスクリートの半導体は30年前から進化が止まっており、高周波に関しては最新の高速ＩＣを使うのが正しい選択である。（ﾃﾞｨｽｸﾘｰﾄが必要になるのは±5Vを超える大振幅や1Wを超える高出力時のみ） 次は、パワーアンプの出力段とドライブ用の品種。 用途 品番 ﾒｰｶｰ Vceo Ic (max) Pc hFE ft MHz Cob @10V ﾊﾟｯｹｰｼﾞ 出力段 2SB554 2SD424 東芝 180 15A 150W 80 6 5 450 300 TO-3ﾒﾀﾙｷｬﾝ 2SB600 2SD555 NEC 200 10A 200W 70 14 15 450 300 TO-3ﾒﾀﾙｷｬﾝ 2SA1075 2SC2525 富士通 120 12A 120W 110 60 80 300 180 ２点止め 2SA1095 2SC2565 東芝 160 15A 150W 150 60 80 350 200 ２点止め 2SA1141 2SC2681 NEC 115 10A 100W 140 90 80 390 230 TO-3P 2SA1494 2SC3858 ｻﾝｹﾝ 200 17A 200W 100 20 500 300 ２点止め 2SA1386A 2SC3519A ｻﾝｹﾝ 180 15A 130W 70 40 50 500 250 TO-3P 2SA1186 2SC2837 ｻﾝｹﾝ 150 10A 100W 80 60 70 220 120 TO-3P Drive用 2SA606 2SC959 NEC 80 0.7A (0.7W) 80 ＞50 ＜50 TO-5ｷｬﾝ型 2SA968 2SC2238 東芝 160 1.5A 25W 150 100 30 25 TO-220 2SA985 2SC2275 NEC 120 1.5A 25W 150 180 200 29 19 TO-220 2SB649A 2SD669A 日立 160 1.5A 20W 200 120 160 27 14 TO-126 2SA1930 2SC5171 東芝 180 2A 20W 200 200 26 16 TO-220FM B554/D424は古典的な石の代表。ftが低いのでゲインクロスを1MHz以上にできず、NFBを深く掛けられない。それでもAudio帯域の20kHzを出力するだけなら全く問題ない。 B600/D555は高耐圧でftも改善され、ハイパワーアンプに良く使われた。 A1075/C2525, A1095/C2565, A1141/C2681は各社が高ftの出力石を競って開発していた頃の代表的な石。エミッタにバラストを入れるなどで電流の均一化とASOの改善も図っている。非常にコストが高かったのか、一時の熱が冷めると一気に廃品種になってしまった。（表に記載した以外にも、松下2SA1065/2SC2489, ソニー2SA1028/2SC2398 等が有名） サンケンの３品種はまだ現行品で、A1494/C3858は大出力用の一般品。最近は一般用でも20～30MHzのftが普通である。A1386/C3519は高ftプロセスで、hFEは低いが電流のリニアリティは8A程度まで伸びている。A1186/C2837は現行品の中では最もftが高い方だが電流リニアリティは良くなく、3AでhFEが落ち始める。Cobやその他の定格は東芝A1094/C2564に近いが、hFEや電流リニアリティは遠く及ばない。(カタログのCobの値はVcb=80Vでの値なので騙されないように) 歴代のパワーTrで最も高ft,低Cobの石はA1093/C2563で、ft=90MHz, Cob=150/90pF at10Vである。但し、耐圧120V, 8A80W定格なのでハイパワー用ではない。（低飽和型ではA2022/C5610のようにftが300MHz程度の物もあるが、耐圧がなくASOも狭いのでｶｽｺｰﾄﾞ必要） これらの高ft石を使うと、NFBのゲインクロスは出力安定化Ｌを併用する事で10MHz付近まで上げられる。フルパワーバンド幅はベースの逆電流を引ければ1～2MHzまで可能だが、それ以上はドライブ電力の点で困難。 ドライブ石は、いにしえのA606/C959から始まってft=100MHzクラスのA968/C2238に進化した後、A985/C2275で200MHz近くにまで上がった。NECの高ft品は耐圧が低いので、日立のB649A/D669Aの方がポピュラーである。 A1930/C5171は最近の石で、高ft、低Cobで耐圧とhFEのバランスも良く、使いやすい。オーディオ用のアンプではゲインクロスを10MHzより上げる事はあまりないので、ドライブ石のｆｔは200MHzあれば十分であり、CobとhFE直線性の方が性能に対して重要である。 ２、接合型ＦＥＴ (J-FET) J-FETはコンプリとなるP-chの品種が少なく、選択の幅は広くない。 高域特性に関するパラメータは ｇｍ, Cis, Crsの３つで、バイポーラＴｒのｆtに相当するのは gm/Cisの値で、「性能指数」とも呼ばれる。（ｆt=gm/Cis/2pi） gm=5mS, Cis=5pFでは159MHzでCisの充電電流とgmによる出力電流が等しくなる。 入力ｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽは容量性なので、電流ゲインの位相は低周波でも90°遅れになる。 FETではDC的なhFEの値は無限大なのでhfeの値はｆt /ｆで計算でき、100kHz以下の低周波では非常に大きな電流ゲインが得られる。しかし、数MHz以上の高周波ではhfeはバイポーラＴｒに劣るのが普通である。（VHF用の品種でも、ｆt=150～300MHz程度しかない） 下に、FM～VHF帯用の東芝2SK192Aの特性値をカタログより引用する。 伝達特性の図はIdss=10mAでVgs=0V(Id=10mA)条件である。 gm(=gfs)は8mSで、これが3dB落ちるのは700MHzであるが、gmの位相が90°からさらに回り始める(bfs/gfs=0.1となる)周波数は45MHzと読み取れる。bfs=gfsとなる700MHzでgmの位相は120°程度回る。バイポーラでは大電流時はｆtの1/2周波数でhfeの位相回転がほぼ135°と急激に増えるのに対し、FETでは位相遅れは比較的ゆっくりである。 bis=gfsとなる周波数(=ft)は250MHz程度で、これ以上の周波数では電流ゲイン(=hfe)は１以下になるが、FETでは入力の損失成分(gis)が小さいのでＬで共振させて入力容量を打ち消せば換算ｆｔの２倍程度まで大きな電力ゲインが得られる。 広帯域増幅では共振が使えないので、入力容量でCi*Rgのカットオフが発生するのを防止する為に、帰還抵抗にＣを並列にして入力容量を打ち消すなどの対策は必須。 J-FETでは電力用の素子はほとんどないが、静電誘導Ｔr（SIT）ではP-ch/N-chのｺﾝﾌﾟﾘﾒﾝﾀﾘ品種が存在する。少数キャリアを使わないので高速動作が可能だが、数10年も前に生産完了しているので、ここでは取り上げない。 以下に主要な品種のデータを表に記載する。Cis, Crsの値はVds=10V時である。 極性 品番 ﾒｰｶｰ Vds Pd mW gm(mS) @2mA ft MHz Cis pF Crs pF N-ch 2SK30A 東芝 50 100 2.6 50 8.2 2.6 P-ch 2SJ103 東芝 50 300 3.0 26 18.0 3.6 N-ch 2SK246 東芝 50 300 2.4 42 9.0 2.5 P-ch J177 ON Semi 30 300 4.0 21 30 8.0 N-ch 2SK105 NEC 50 250 4 155 4.1 0.9 N-ch 2SK301 松下 55 250 5 122 6.5 1.9 P-ch 2SJ45 NEC 40 400 14 44 50 10 N-ch 2SK163 NEC 50 400 14 148 15.0 6.0 N-ch PF5102 Farchild 40 625 10 114 14.0 2.7 N-ch 2SK117 東芝 50 300 13 138 15.0 3.2 P-ch 2SJ74 東芝 25 400 20 30 105 32 N-ch 2SK170 東芝 40 400 20 106 30 6.0 N-ch 2SK369 東芝 40 400 28 59 75 15 N-ch μPA63H NEC 60 250 5.5 146 6.0 1.6 N-ch μPA70A NEC 40 250 3.2 204 2.5 0.7 N-ch 2SK192A 東芝 18 200 3.6 164 3.5 0.6 N-ch 2SK1000 NEC 22 250 15 287 8.3 2.7 N-ch 2SK606 松下 30 400 10 318 5.0 0.2 P-ch 2N5461 Farchild 40 350 2.5 80 5.0 1.0 N-ch BF256A Farchild 30 350 3 126 3.8 0.7 N-ch J309 Farchild 25 625 7 182 6.1 2.0 gmの値はいずれもId=2mAでの値を記載しているので、もっと電流を流してgmの大きい所で使えばｆtの値もこの数字より大きくなってくる。 さらに、Cisの値はVgs=0V時の数値なので、Idssがずっと大きな品種では動作時のVgsの逆ﾊﾞｲｱｽで実際のCisの値はもっと小さくなり、2mA時のｆtの値も少し大きくなる。 P-chの品種はいずれもCisが大きく、2mAでのｆtは50MHzに届かない。 2N5460～5462はその中でも例外的にN-ch品に近い性能があるが、enはJ74の10倍悪く初段には使えない。 LN用の品種（J74/K170等）は高gmで低ノイズの為に入力容量は大きく、周波数特性はやや犠牲になっている。初段としてgmのカットオフが何MHzにあるかは規格にないので、実測して確認する必要がある。 2SK1000はAMﾁｭｰﾅｰ用の品種で、Cisに対してgmが大きい。ビデオカメラ初段用の品種も同様な特徴があり、電流ゲインが高く取れるが低周波でのノイズ特性は保証されない。 2SK606は内部ｶｽｺｰﾄﾞの品種で、Crsが非常に小さい。 ３、ＭＯＳ－ＦＥＴ MOSは多数キャリアの素子なので、ﾊﾞｲﾎﾟｰﾗのような大電流時のベース蓄積電荷の増加がない。従って gm/Cis/2pi で計算されるｆtは電流増加でgmが上がれば比例して上昇する。（例えば、2SK2955ではId=20A時のgm=40Sなので、換算ｆt=2.9GHzに達する） 高耐圧で大電力の素子も作れるので、パワーアンプの出力段に使えば数MHzの帯域が得られる。(大電力アンプでは電圧振幅が大きいので、Crsの充電電流=ゲート電流で帯域が決まる。) さらに高速のGaNやSiCの品種も開発されているが、P-chはまだ入手できない。 MOSには構造によりchipの表面にドレインを置いて水平方向に電流を流す「横型Mos」と、chipの底面にドレインを置いて垂直方向に電流を流す「縦型：D-Mos」がある。 横型はCrsが小さくなる特徴があるが、ｇｍは小さくRonは大きい。逆に縦型は大ｇｍが得られ、Ronも非常に小さくできる。縦型でもchipに掘った溝（トレンチ）に沿ってゲートを形成したトレンチ型は耐圧は低いが数mΩの非常に低いRonが得られる。高耐圧型（Vds>400V）では、SJ（ｽｰﾊﾟｰｼﾞｬﾝｸｼｮﾝ）構造で高耐圧と低Ronを両立してCrsも小さくできるタイプがある。 Mosは飽和時に急激にCisとCrsが増大するので、クリップ時にゲートをオーバードライブすると飽和からの回復が非常に遅れる場合がある。飽和直前でもCis*Rgのカットオフが定常時の1/5まで落ちて発振する場合があるので、アンプの出力段に使う場合は電圧ロスが増えても飽和させない使い方が安全である。 周波数特性を決めるのは主にgm, Cis, Crsだが、ゲート配線抵抗（Rg）もスイッチング速度に大きく関係する。素子自体のｆｔがいくら高くてもRg*Cisの時定数でｇｍのカットオフ周波数が決まるためである。定電流ドライブすればRgはキャンセルでき、周波数特性はCrsとCis依存となる。 例として、日立の横型Mos（2SJ352, 2SJ76）のｇｍ周波数特性を示す。 出力用素子でfc=1MHz, ドライブ用素子でfc=16MHz程度となっている。(Rg=80Ω程度) 下の表に、代表的な素子の特性値を記載する。Cis, Crsの値はVds=10V時でｆｔの値はｇｍ測定条件での換算値である。 用途 品名 ﾒｰｶｰ Vds V Id A Pd W Gm@Id Cis pF Crs pF ft@Id MHz RF 2SK882 東芝 20 30m 0.1 10m@5mA 3.0 0.025 530 RF 3SK291 東芝 12.5 30m 0.15 20m@5mA 2.0 0.016 1590 RF 3SK241 松下 13 50m 0.2 23m@10mA 0.4 0.02 9G RF AFT05 MS004 NXP 30 4 28 2.0@1A 56 1.6 5.5G AF 2SJ211 2SK1589 NEC 100 0.2 0.1 0.2 50m@10mA 42m@10mA 27 16 1.7 2.7 294 398 SW FDC6320 (P/N複合) Feachild 25 0.1 0.2 0.7 41m@10mA 65m@10mA 11 9.5 1.4 1.3 593 1090 Drive 2SJ76 2SK213 日立 140 0.5 30 0.11@0.1A 0.14@0.1A 120 90 4.8 2.2 146 247 Drive 2SJ313 2SK2013 東芝 180 1 25 0.4@0.1A 0.45@0.1A 210 170 45 17 303 420 HV TK2Q60D 東芝 600 2 60 0.3@0.1A 280 2.0 170 Power 2SJ527 2SK2796 日立 60 5 20 2.0@1A 2.8@1A 220 180 35 30 1445 2473 Power 2SJ554 2SK2955 日立 60 45 100 4.5@1A 5.5@1A 2500 2200 300 320 286 397 Power 2SJ618 2SK3497 東芝 180 10 130 4.4@1A 5.5@1A 2300 2400 210 150 304 364 Power 2SJ352 2SK2221 日立 200 8 100 1.0@3A 800 600 18 8 199 265 2SK882は内部ｶｽｺｰﾄﾞのＲＦ小信号用、3SK291はﾃﾞｭｱﾙｹﾞｰﾄのUHF用である。 3SK241はGaAsのSHF用、AFT05MS004はUHF電力増幅、J211/K1589はchipタイプの小信号用。FDC6320はP-ch/N-chの複合品でSW速度が速く高周波まで使える。 Drive用のJ76/K213は横型、J313/K2013は縦型で、横型の方がCrsは小さいがgmとｆtでは劣る。SJ構造のTK2Q60DはVds>10VでCrsが非常に小さい。高電圧動作でゲインを大きく取れる。 中電力のJ527/K2796はgm/Cisの値が大きく、換算ｆtは1Aで1GHzを超えるがゲート内部抵抗が数十Ωあるので100MHzの帯域は出せない。小出力であれば８Ω負荷を20MHzまで駆動できる。 2SJ527のチップサイズを1/10にすれば、60V0.5A5Wで0.1A時ｆt=1.4GHzの高周波用素子が作れるはずだが、P-chの高周波用素子は需要がないのか、そのような品種がないのは残念である。 最後の３つはTo-3Pﾊﾟｯｹｰｼﾞの出力石。J554/K2955は低圧大電流で軽く30A以上流せる。10A時はgmが20以上まで上がり、ｆtも1Gを大きく超えてくる。 J618/K3497は高耐圧なので電源電圧高くすればCrsはもう少し下がる。J352/K2221は横型でCrsは小さいがｇｍも非常に小さい。 いずれも１Ａでの換算ｆtは300MHz前後で、ﾊﾞｲﾎﾟｰﾗ出力石の10倍近い値となっている。 これらは比較的古い品種なので高電圧領域でもASOが広くて２次破壊の心配はないが、最近の高gmのスイッチング用では２次破壊の為にASOが狭く、アナログ出力には使えない物がある。上に挙げた東芝TK2Q60Dは耐圧600Vで真空管的な用途に使えそうだが、500VではDC2mAしか流せない。それ以上流すと内部の局部熱暴走で破壊するのである。スイッチング専用のIGBTも同様にASO限界でアナログ出力には使えない。 最新型素子ではSiCは広いASOを持つが、GaN型ではTP65H300GやTP65H050WのようにASOが狭くてアナログでは使えないのもあるのでデータシートを要確認。 もう一つの注意点として異常発振への対策がある。Mosは非常に高速だが素子容量も大きいので配線の数nHの非常にわずかな残留インダクタンスで容易に発振する。1000pFと1nHの共振が159MHzなので、大電流で数100MHzにまでｆｔが上がると1cmの配線でも発振し得る。 基本はゲートに10Ω程の抵抗を入れて共振Ｑを下げる事だが、ドレイン側の共振もCrsから帰還されるので配線が長くなる場合は最短でD-S間にCRスナバを入れて対策する場合もある。 小信号タイプのMosは高速SW用でも寄生発振防止のためにゲート抵抗を内蔵しているのがほとんどで、数MHzでgmが低下してしまうので高ｆｔを活用する事はできない。10MHz以上まで使えるのはtf=10nsを切る品種(2N7000等)のみである。 　　　次に進む　　　　高域限界の目次に戻る　　　　アンプ設計のTOPに戻る