CMOSインバータの増幅器としての価値

質問

ＰＭＯＳのソースに供給電圧、ＮＭＯＳのソースと基板端子が接地された基本的なＣＭＯＳインバータ論理回路を考えたとき、「小信号増幅器としても有用である。」という説が参考書に記載されていたのですが、この理由が知りたいです。また、「交流電圧の利得が大きい」ということも書いてあったのですが、これもなぜなのかわかりません。教えてください。

回答No.2

inara1

＞「出力の大きな変化」というのは供給電圧よりも上回る電圧が出力電圧で得られると解釈していいんですか？
電圧自身は電源電圧を越えません。変化の幅が入力より大きくなるということです。

基本的なCMOSインバータの入出力特性のグラフ（http://www.cypress.ne.jp/f-morita/parts/ic/cmos.html）にあるように、入力電圧を0Vから徐々に高くしていくと、出力電圧は徐々に下がってきますが、電源電圧（VDD）の半分くらいの電圧で出力電圧が急に小さくなります。この部分は入力電圧の変化 ΔVin に対して出力電圧の変化 ΔVout が大きいので、この部分の入出力特性を使うと増幅器になります（増幅器になるのは ΔVout/ΔVin＞１ の場合ですが、そのグラフではそうなっています）。CMOSインバータの入出力間に、以下のように帰還抵抗 Rf をつなぐとインバータの入力電圧が電源電圧の半分の電圧になります。

　　　　　　　　　┌─ Rf ─┐
　入力 ─ C ─┴┤＞○-┴─ Co ┬ 出力
　　　　　　　　　　インバータ　　　　 Ro
　GND ───────────-┴─

入力電圧がそれより高いと出力電圧が下がって入力電圧を引き下げようと働き、逆に入力電圧がそれより低いと出力電圧が上がって入力電圧を引き上げようと働くため、最終的にその電圧の落ち着くことになります。その入力端子にコンデンサ C を介して入力信号（交流）を加えると、インバータの入力電圧は、電源電圧の半分を中心にして増減するので、出力信号も電源電圧の半分を中心にして増減します（インバータなので増減の方向は互いに逆）。このとき、出力側にコンデンサ Co と抵抗 Ro を入れてDC成分をカットすると、増幅された交流信号だけが出てきます。インバータを使った水晶発振回路やセラミック振動子発振回路 [1] は、インバータのこのよう増幅特性を利用したものです。

[1]　セラロック発振回路（14ページ）　http://www.murata.co.jp/products/catalog/pdf/p60.pdf

お礼

よくわかりました.saru1234さん、inara1さん、ありがとうございました.

回答No.1

saru1234

多分これのことかと思います。

デジタル回路ですから、入力信号が閾値をまたぐ時に
出力が急峻な変化をするわけです。
が、
入力の閾値は単一の値でなく、ごく狭い範囲ですが、
入力電圧の僅かな変化に比例して出力が大きく変化する領域があります。
具体的な数値は覚えていませんが、倍率でいうとかなり高い数字だったと思います。

ただ、実用性の点では、個体差にあわせる微調整、
経年・経時変化、温度変化に対する補正の仕組みが要りそうで、
この辺りが問題になりそうです。

補足

saru1234さん、回答ありがとうございます。
＞入力電圧の僅かな変化に比例して出力が大きく変化する領域があります。
この「出力の大きな変化」というのは供給電圧よりも上回る電圧が出力電圧で得られると解釈していいんですか？