MOSFETをトランジスタに置き換えたら・・・・

質問

添付画像にあります2つの回路見ていただけますか。
下の回路中のIRFI510GがFETになります。この回路図中の入力と出力点それぞれのにおける電圧波形を測定すると両者はほぼ重なってきれいな正弦波を描きました。
しかし上の回路のようにIRFI510Gの部分がトランジスタである2N930に置き換わると、同じ入力と出力点それぞれにおける電圧波形を測定すると、出力波形の方だけ正弦波の頭がカットされたような形を描いたのです。
なぜFETを使用すると頭のカットが起こらないのでしょうか（トランジスタでは発生してしまう理由はきちんと理解しています。）いろいろと本を探して読みましたが、これに関する記述が見つけられずモヤモヤしているので質問させていただきました。

回答No.2

KEN_2 · ベストアンサー

トランジスタの出力波形の頭がカットされた状態になるのは、Ｑ１のVceの飽和電圧の問題は質問者様はご承知だと思いますが、他にＲ１を流れる電流とVbeでの電圧降下が影響しています。
R2が6ΩでＱ１のhfeが150程度であったら、IbでR1の1KΩで電圧降下が加算されるのです。
（トランジスタは電流増幅素子であるので、電圧降下が発生する。）

一方MOS-FETの場合はゲート電流が殆んど流れず、Vdsのオン抵抗が低いのでほぼ＋V2の電源電圧近くまで最大振幅を振らすことが可能です。
１）R1の1KΩでの電圧降下は発生しない。（電圧増幅素子である）
２）Q2のVdsのオン抵抗が低い。
などが主な理由です。

回答No.4

inara1

ご質問の回路図は Circuit Maker という回路シミュレータで描いたものだと思います。こちらでシミュレーションしてみたところ、添付図のような波形になりました。これを見れば、2N930 のほうでクリップする理由が分かると思います。ベース抵抗が大きすぎるため、充分なベース電流が流れていないようです。

出力電圧の最大値が 2V のとき、6Ω の負荷だと、エミッタ電流の最大値は 333mA になりますが、そのときのベース電流は、シミュレーションでは 15mA になりました。そのベース電流を流すために必要なオペアンプの出力電圧は、ベース抵抗が 1kΩ のとき、エミッタ電圧(2V) + ベース-エミッタ間電圧(0.7V) + ベース抵抗の電圧降下 ( 15mA×1kΩ = 15V ) = 17.7V となります。しかし、オペアンプ（LM358）を 12V 電源で動かしたときの出力電圧は最大で 11V 程度しか出ないので、ベース電流は最大で 8mA 程度しか流れません。ベース抵抗を 470Ω未満にすればクリップしません。

Circuit Maker では、F5 キーを押すと、回路図上の不要なドット（黒丸）が消えます。

回答No.3

bogen555

この回路ではMOSFETをオンさせることはできません。
オンさせるためには、LM358の電源電圧をドレイン電圧よりも6.5V以上高くする必要があります。
従ってオン抵抗は関係なく、VGSとgm（IDも）の関係が問題になります。
ここら辺の議論はソース接地についてですが、参考になるかも？
http://www.bbs-reedjp.com/ADI/index.php?bid=4&v=1293526455hUsfUL

回答No.1

bogen555

理由はデータシートを見れば一目瞭然です。
http://www.vishay.com/docs/90178/sihfi510.pdf
（IRFI510Gは数年前IRからVishayに工場ごと売られた）
図の解像度が悪くてよく見えませんが、出力2Vで負荷6Ωとすると、出力電流は0.333Aだから、P.3のFig.3を見れば25℃の時VGSが4.5V弱、Vs（＝出力電圧）と併せてトータルでゲート－GND間電圧VGは6.5V弱です。
ＯＰアンプがこの電圧を出力できれば、出力波形の頭はカットされません。
LM358は12V電源のときには10V程度は出力できるから、きれいな正弦波を出力できます。

> いろいろと本を探して読みましたが、これに関する記述が見つけられずモヤモヤしているので質問させていただきました。
出力電流がΔVGS×gm（Yfs）となるのはMOSFETの基本です。
教科書に載ってるはずですが、とりあえずメーカーのアプリケーション・ノートでも読んだらどうでしょうか？
http://documentation.renesas.com/jpn/products/transistor/apn/rjj05g0003_power_mos.pdf