Amplificateur Source Commune (IGFET) : Conception, Polarisation et Performance

Amplificateur Source Commune (IGFET)

L'étage source commune (CS) est la pierre angulaire de la conception d'amplificateurs MOSFET (IGFET). Il délivre le gain de tension le plus élevé parmi les trois topologies MOSFET de base, le rendant idéal pour les applications audio, RF et mixte-signal.

Caractéristiques Clés

• Gain de Tension (Av) ≈ –g_m·R_out (typiquement 20–50 V/V)
• Impédance d'Entrée – très élevée (mégaohms à gigaohms)
• Impédance de Sortie – faible (centaines d'ohms à quelques kilohms)
• Bande Passante – limitée par l'effet Miller et les capacitances parasites

Biais et Point de Fonctionnement DC

Un biais correct assure le fonctionnement en région de saturation, où le MOSFET se comporte comme une source de courant commandée en tension. Les schémas de biais courants incluent :

• Diviseur résistif avec résistance de dégénérescence de source pour linéarité et stabilité du biais.
• Auto-biais utilisant un MOSFET diode-connecté pour fixer V_GS automatiquement.
• Biais mode tension avec tension de référence et charge miroir de courant pour la précision.

Choix de Charge

Trois configurations de charge typiques sont utilisées pour échanger gain, amplitude de sortie et linéarité :

• Charge résistive – simple, mais limitée par la dissipation de puissance.
• Charge miroir de courant – double la résistance de charge effective, augmentant le gain.
• Charge CMOS (p-MOS + n-MOS) – fournit grande amplitude de sortie et faible distorsion.

Réponse en Fréquence

La capacitance de Miller (C_gs·(1 – Av)) réduit dramatiquement la bande passante haute fréquence. Techniques pour l'atténuer :

• Utiliser un transistor à faible capacitance (ex: JFET ou CMOS faible C_gs).
• Ajouter une résistance de rétroaction entre drain et source.
• Employer un étage cascode pour isoler C_gs de la sortie.

Exemple de Conception Pratique

 # Paramètres VDD = 5,0 V Rsource = 1 kΩ Rd = 10 kΩ M1 = MOSFET canal N (Vth = 1,5 V) # Calcul de biais VGS = VDD – ID·(Rd + Rsource) # Choisir ID = 2 mA → VGS ≈ 3,0 V # Gain gm = 2·ID / (VGS – Vth) ≈ 1,33 mS Av ≈ –gm·(Rd || ro) ≈ –12 V/V 

Applications

• Préamplificateurs audio – gain élevé, bande passante modérée.
• Mélangeurs RF – linéarité et faible facteur de bruit.
• Conversion de niveau logique numérique – haute impédance d'entrée.

En maîtrisant le biais, le choix de charge et l'atténuation de l'effet Miller, les concepteurs peuvent exploiter tout le potentiel de l'amplificateur source commune pour une large gamme de circuits électroniques.