Amplificador de Fuente Común (IGFET): Diseño, Sesgo y Rendimiento

Amplificador de Fuente Común (IGFET)

La etapa de fuente común (CS) es el caballo de batalla del diseño de amplificadores MOSFET (IGFET). Ofrece la mayor ganancia de voltaje entre las tres topologías básicas de MOSFET, lo que la hace ideal para aplicaciones de audio, RF y señal mixta.

Características Clave

• Ganancia de Voltaje (Av) ≈ –g_m·R_out (típicamente 20–50 V/V)
• Impedancia de Entrada – muy alta (megaohmios a gigaohmios)
• Impedancia de Salida – baja (cientos de ohmios a pocos kiloohmios)
• Ancho de Banda – limitado por el efecto Miller y capacitancias parásitas

Sesgo y Punto de Operación DC

El sesgo adecuado asegura operación en la región de saturación, donde el MOSFET se comporta como una fuente de corriente controlada por voltaje. Esquemas de sesgo comunes incluyen:

• Divisor resistivo con resistencia de degeneración de fuente para linealidad y estabilidad de sesgo.
• Auto-sesgo usando un MOSFET diodo-conectado para establecer V_GS automáticamente.
• Sesgo de modo voltaje con voltaje de referencia y carga de espejo de corriente para precisión.

Opciones de Carga

Tres configuraciones de carga típicas se usan para intercambiar ganancia, swing de salida y linealidad:

• Carga resistiva – simple, pero limitada por disipación de potencia.
• Carga de espejo de corriente – duplica la resistencia de carga efectiva, aumentando ganancia.
• Carga CMOS (p-MOS + n-MOS) – proporciona alto swing de salida y baja distorsión.

Respuesta en Frecuencia

La capacitancia Miller (C_gs·(1 – Av)) reduce dramáticamente el ancho de banda de alta frecuencia. Técnicas para mitigar esto incluyen:

• Usar un transistor de baja capacitancia (p. ej., JFET o CMOS de bajo C_gs).
• Añadir una resistencia de realimentación entre drenaje y fuente.
• Emplear una etapa cascode para aislar C_gs de la salida.

Ejemplo Práctico de Diseño

 # Parámetros VDD = 5.0 V Rsource = 1 kΩ Rd = 10 kΩ M1 = MOSFET canal N (Vth = 1.5 V) # Cálculo de sesgo VGS = VDD – ID·(Rd + Rsource) # Elija ID = 2 mA → VGS ≈ 3.0 V # Ganancia gm = 2·ID / (VGS – Vth) ≈ 1.33 mS Av ≈ –gm·(Rd || ro) ≈ –12 V/V 

Aplicaciones

• Preamplificadores de audio – alta ganancia, ancho de banda moderado.
• Mezcladores RF – linealidad y bajo factor de ruido.
• Cambio de nivel lógico digital – alta impedancia de entrada.

Al dominar el sesgo, selección de carga y mitigación del efecto Miller, los diseñadores pueden aprovechar el potencial completo del amplificador de fuente común para una amplia gama de circuitos electrónicos.