台風19号の被害もなくホッとしているところです。台風一過でさっそくアンテナも復帰しました。
さて、予定通りの話題で行きましょう。 しばらく前になるのですが、Dual Gate FET（２ゲート電界効果トランジスタ）について簡単に扱ったことがあります。（過去のBlogにリンク）
2SK241のような使いやすいシングルゲート型のFETが登場した結果、2ゲート型FETの用途はだいぶ限られてきたという話でした。 それが覆る訳でもないのですが調べていたら思ったよりもたくさん手持ちがありました。買っておいたものや頂きものなど様々です。 こうした引き出し在庫を有効活用しないのは勿体ないでしょう。性能が悪いのなら仕方ありませんがそんなこともありません。 そこで実際に試用して使い方の道筋を付けておきたいと思います。
以下は、様々な文献などにも載っているような話ですが、残念ながら本格的に高周波回路の設計を扱った書籍は絶版ばかりです。個別半導体で設計する機会も減ったため売り上げが見込めないことから新版の登場も期待できません。 いまでは設計法や使用例を見つけるのも一苦労になってしまいました。 ここでは理論的な説明はひとまず脇に置きましょう。もちろん理論を無視した訳ではないのですが、もっぱら実践的な内容にまとめておきたいと思います。 例によって自身の製作メモに過ぎませんが機会があれば試してみてください。使い方の一助にでもなれば幸いです。
写真：今回はおもに表面実装型の２ゲートMOS-FETを使います。 パッケージが小さくてリード線も付いていないためこれまで試用の機会もありませんでした。 今回、試しに変換基板に実装してみたところ意外に好成績でした。扱いが容易になったのも評価のきっかけになりました。 写真は3SK294と3SK144Rです。この3SK294（←秋月電子通商にリンク）は現在も安価に販売されており、新規の採用にも向いています。同ショップで売られている3SK291も同様のデバイスです。リード線付きの２ゲートMOS-FETは姿を消していますが、表面実装型ならまだ十分手に入ります。有効に活用したいものです。
評価を行なったのは：3SK294、3SK144、3SK103です。いずれもDual Gate MOS-FETです。 なお、評価は面実装型に偏りましたが、予め評価済みだった金属缶パッケージ型（古い形状）のDual Gate MOS-FETとの違いは感じませんでした。どちらも同じように使うことができます。手に入り易いものを活用するのがベストでしょう。
それぞれのデータ・シートを見比べると、こうしたMOS-FETはゲート電極へのバイアス電圧の掛け方（加え方）から見て、以下のような3つのグループに大別できることがわかります。
（１）ディプレッション型：第１ゲートのバイアス電圧をソース電極に対して負の方向に掛けて使うタイプ。規格表でIdssが比較的大きくて10〜数10mA以上のものがこれです。五極管の特性に近いイメージがあって旧来はほとんどがこれでした。例：3SK35、3SK41、3SK45、3SK48、3SK51、3SK59、3SK73、etc. 他にもたくさんあります。 正の範囲までバイアスを掛けることもできますが、ドレイン電流を流しすぎて許容ドレイン損失をオーバーしないように注意します。（Depletion mode：減少型 / Normally ON type)
（２）完全なエンハンスメント型：第１ゲートにソース電極に対して正方向のバイアス電圧を掛けて使うものです。負あるいはゼロのバイアス電圧ではドレイン電流がほとんど流れません。規格表でIdssがゼロあるいはそれに近いものはこのタイプです。例：3SK291、3SK294、3SK108、etc . 比較的新しいものが多いようです。負方向のバイアスが要らず、電源電圧も低くて済むためでしょう。AGCも掛け易いです。(Enhancement mode：増大型 / Normally OFF type)
（３）上記両者の中間的なもの：第1ゲートに加えるバイアス電圧がゼロではあまりドレイン電流は流れず、通常の増幅回路に使うには幾らか正の方向にバイアスを掛ける必要のあるものです。規格表で見たときIdssはゼロではないものの最大でも数mA以下のものはこれです。上記（１）の品番でもIdssが小さなランク品はこれに当たります。例：3SK144、3SK103、3SK107、etc 意外にたくさんあります。Idssで使うとゲインは低めですが、バイアスの掛け方次第で高性能も期待できます。(D+E mode)
これらの3種類を考慮していずれの特性のFETでも使えるようなバイアスの自由度が高い回路を考えてみたいと思います。 適正なバイアスさえ掛けて使えばどの分類でも大差ない性能が得られるはずです。 写真はそのテスト風景です。
2ゲートMOS-FETの使い方の基本は高周波増幅（RFアンプ）でしょう。IFアンプも類似回路です。 左図の回路は3タイプいずれのFETにも適用できます。 要するに万能型です。バイアスの自由度が高く作ってあります。
電源電圧：Vddは9Vの設計です。第２ゲートには標準的なバイアスが掛かるように、Vddの半分の電圧・・・+4.5Vが掛かっています。ここには固定したバイアス電圧を掛けておきます。 なお、ソース電圧がGNDに対して+1Vになるよう設計しているので、実質的な第２ゲートの電圧はソースに対し+3.5Vになります。 このように第２ゲートにはソースに対して+3〜4Vの電圧をかけて使うのが基本です。 この部分にリバースAGCを掛けることもできます。
組み立てたら、ソース端子とGND間の電圧：Vsを測りながら、第１ゲートのバイアス電圧を調整します。 Vs=1.0Vになるように可変抵抗：VR2を調整すればOKです。 こうしたMOS-FETのRFアンプではおおよそ10mAのドレイン電流：Idを流して使うのが基本です。 これで標準的な動作状態になります。ゲインは十分得られノイズフィギャ(NF)も概ねオプティマイズされます。 そのように調整を行なった時の、第１ゲートのバイアス電圧：VG1を実測した結果を図中の表に示します。
各FETの特徴がよく表れていると思います。 このVG1は調整後の結果であって、予めこの電圧をG1に掛けて使うという意味ではないので注意して下さい。たまたまそのFETでId=10mA流すのに必要なVG1がこの電圧だったという結果に過ぎません。従って個々のFETで異なるわけです。（もちろん、同一品種、同一ランクのFETなら類似の電圧になりますけれど・・・個々には微妙に違うはずです）
VG1が実測値と近似の電圧になるよう、可変抵抗をやめて固定抵抗に置き換えても良いでしょう。 頻繁な調整の必要がないところは固定抵抗に置き換えるほうが安定です。一般的に可変できる部品は自然に変化する（劣化する）可能性も高いからです。
なお、ドレイン電流：Idは10mA前後が標準ですが、必ずしもそこまで流さなくても大丈夫です。ノイズ・フィギャやゲイン、さらには負荷インピーダンスなど考慮しながら定格の範囲内でかなり自由に決めることができます。
バイアス調整が済んだら、信号発生器あるいはアンテナからの信号などを頼りに入力同調回路：T1の同調をとればRFアンプの完成です。 ゲインのピーク値は図中の表に示しますが、どのFETでも25dBを超える好成績が得られました。 HF帯からVHF帯のRFアンプとして十分なものです。
入力回路は、Lマッチ形式ではなく単純なトランス形式にしました。 概ね良好なNFが得られる巻き数比が選んであります。 実測はしませんでしたがNF≦2dBくらいはごく普通に得られます。このアンプは回路例の7MHz帯などローバンドではとてもローノイズで、必要以上に低いNF値と言えます。RFアンプはNF=0dBを理想としますが、空間ノイズが極めて大きな7MHz帯ではNF=20dBでも支障ないくらいですので・・・。 50MHzあるいは144MHzではLマッチ形式を使うとNFの最適化が容易です。 ただし30MHz以下のHF帯では図のように選択度を優先した回路の方が望ましいようです。
（参考：上図には3SK144や3SK294の実測した性能一覧があります。他のリード線タイプの2ゲートMOS-FETたとえば、3SK35あるいは3SK59などの実測結果は続編（←リンク）でまとめ一覧表にしてあります。合わせて参照を）
3SK294でテストしている様子です。 ドレイン負荷の高周波トランスにはMini Circuits Lab.社の製品を使いました。これは自作品のトリファイラ巻きトランスでもよくて、後ほど製作例があります。 性能的にも違いはないので自分で巻くと安上がりです。 ドレイン負荷に同調回路を置く形式も可能ですが、最適な同調コイルの設計はやや難しいので非同調のトランス負荷式をお勧めします。 得られるゲインもほとんど違いません。 選択度は入力側で稼げば良いと言う考え方です。
入力のトランス（同調回路）はT25-#2というトロイダルコアにφ0.2mmUEW線を巻いて作ったものです。巻き数はアンテナ側が２回、同調側が30回です。 FCZコイル（同等品含む）も使えなくはないのですが、アンテナ回路用としては巻き数比が最適でないため多少性能は悪くなるでしょう。トロイダルコアに自身で巻くとQの高いコイルが作れるのでFBです。製作する周波数に応じてコア材は変更します。巻き数比は概ね同じで良いでしょう。
3SK294は面実装型6ピン・パッケージをDIP化する変換基板に載せてあります。 このようにすると、高周波特性が幾分悪くなって損です。しかしリード線付きパッケージのFET と比べて大差はないため十分使い物になります。 ３本並んだ真ん中の無接続になるピンは必ずGNDして使います。 50MHzあたりまでなら問題なく行けそうですが、144MHz以上では真面目に基板化したほうがFBでしょうね。 MCL社の出力トランスは数100MHzまで使える優秀なものなのでHF帯〜VHF帯でFBに使えます。
3SK294で作ったRF-Amp.(7MHz用）の周波数特性です。 中央少し上を横切る赤いラインがゲイン0dBです。縦軸のひと目盛りは10dBです。 横軸は左端が1MHzで右端は20MHzのLog目盛りになっています。 マーカーの位置がゲイン最大のポイントで、この例では27.4dBのゲインが得られています。
入力部に同調回路が一つあるだけですから、選択度はあまり良くありません。 必要に応じて入力部に２〜３段の同調回路を置くか、バンド・パス・フィルタ（BPF）形式にするとベストです。 ゲイン、NFともにゆとりがあるのが普通ですから、少しロスは増えても入力部分でなるべく帯域幅を絞る設計にしたいものです。
ご存知のお方も多いと思いますが、こうしたRF-Amp.は入力同調回路による昇圧利得がその多くを占めます。 FETそのものによるゲインは意外に小さいのです。 FETによってゲインに数dBの違いがありますが、これはドレイン電流10mAにおけるトランスコンダクタンス：gfsの違いによるものです。（昔風に言うと相互コンダクタンス：gmの違い） ややゲインが低めの石でもドレイン電流を加減すると大きくすることは可能です。 ドレイン損失をオーバーさせない範囲で試してみるのも面白いでしょう。 しかし、一般的にはId=10mA程度で使うと良さそうでした。数dBのゲインを追求しても意味は小さいかも知れません。
結論として、試作回路のような方法でいずれの２ゲートMOS-FETもうまく使えます。得られた性能もほとんど違いません。 従って特定のFETを探すまでもなく、手に入り易い品種で代替すれば大差ない結果が得られることもわかりました。
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ついでと言っては可愛そうですが、これから試すのはシリコンではなく、化合物半導体のガリウム・ヒ素を使った２ゲート型FETです。 GaAs MES-FETと言います。 このガリヒソFETについては過去にBlog（←リンク）で扱ったことがありました。
ゲート部分は酸化膜（オキサイド）絶縁のMOS構造ではなく、ショットキー接合の構造になったFETです。 MOS型ではなくメタル・セミコンダクタ接合(MES)になっている・・・ジャンクション型FETの一種と言えるでしょう。 当然ですがゲートは順方向にバイアスしてはいけないため、正方向のゲート電圧はほとんど許容できません。 完全なディプレッション型の特性です。 プラス方向のゲート電圧についてはデータ・シートにはどこまで許容できるか詳しく書かれていませんが、せいぜい+0.3Vくらいまででしょう。（実際に測定してみても順方向電圧は0.45Vくらいしかない） もしゲートが順方向にバイアスされるとゲート電流が流れ急激に入力インピーダンスが低下します。
この形式のFETでは3SK121（東芝）がアマチュアの間で有名でした。メーカー製のUHF無線機に使われたからのようです。 GaAs MES-FETは1974年にNEC日本電気によって実用化されました。主にマイクロ波帯の通信機用として供給されたものです。 UHF帯でもローノイズかつ混変調特性も良好なため、民生品用としても各社から登場して一時期はもてはやされたものでした。しかし半導体素材が特殊なのと、1979年のHEMT（富士通）の登場とその後の実用化、さらにはRF回路のMMIC化が進んだため今ではほとんどが製造中止になりました。
このSGM2006Mは秋月電子通商で長いあいだ販売されていたSONY製のGaAs MES-FETです。 表面実装型のためアマチュアには使いにくいことから人気は今ひとつのようでした。しかし性能はなかなか優秀です。（現在は販売終了）
このようにGaAs MES-FETはMOS構造ではないため、もっぱらゲートは負のバイアスで使います。 何となく似ているように見えますが、MOS型のFETとはだいぶ使い方が違います。 以下にもっともシンプルな使い方を示しておきました。
GaAs MES-FETで作ったRF-Amp.です。
第２ゲートのバイアスはゼロボルトで良いため、ソースに直結するだけで済みます。 とても簡単です。
また、第１ゲートのバイアスはソースとGND間の抵抗（ソース抵抗）による自己バイアスで得るのが最も簡便です。 ドレイン電流を測定しながらソース抵抗を加減して10mAになるよう調整すれば完了です。VRの抵抗値を実測して固定抵抗に置き換えておくのも好ましいことです。 なお、GaAs MES-FETはドレイン・ソース間の耐電圧が低いため電源電圧に注意します。コイルやトランスのようなインダクタンス負荷においては必ず6V以下の電源で使います。 この例では5Vにしましたが十分なゲインが得られています。
ごく簡単な回路ですが28.5dBと言う十分なゲインが得られました。 NFも小さく、混変調特性も優秀ですがVHF帯以上でこそ本領を発揮するのでしょう。 もちろん、HF帯で使っても支障はありません。温存して死蔵になるよりマシですから積極的に使いたいものです。 シングルゲートのFETと同じように使えるので思ったよりも使い易く重宝なデバイスです。
ゲートを正にドライブするような荒っぽい使い方はまずいと思いますが、発振回路のような用途では大きな振幅を扱う可能性もあります。 ゲートに電流を流し過ぎて壊さないようなるべく慎ましく使いたいものです。 低めの電源電圧でもよく働くので電圧を落とした使い方も悪くないです。 なお、ゲート部分がショットキー構造のため静電気に弱いので扱いに注意します。半田コテのリーク電流も大敵です。（高周波特性の良いデバイスでは一般的な注意事項です）
GaAs MES-FETはお店からほとんど姿を消していますが、手持ちがあるなら有効活用したいデバイスの一つです。 容易に使え、V/UHF帯でLow NoiseなRFアンプが実現できます。 比較的ポピュラーなものとしては、SGM2006M(SONY)のほか、3SK97(松下/Panasonic)、3SK113（日立）、3SK121（東芝）、3SK129（Panasonic)、3SK240（東芝）などがありました。これらの使い方はいずれも同じです。
RF-Amp.のテストではドレイン負荷に既製品のRFトランスを使いました。使いやすく実験試作には便利ですがコストは高めです。
写真のようにフェライトビーズ：FB-801-#43に自分で巻くと安上がりです。 性能も良いのでお勧めです。 ３本の線を軽くよじったものをコアの穴に6回通してから、写真のように配線すれば完成です。この例ではわかり易いように３色の線を使いました。 写真の製作例はトリファイラの6回巻きですから30MHz以下で使うのが適当でしょう。
30MHzくらいから上の周波数では3回巻きに減らします。さらにはもっと小型のフェライトビーズ：FB-101-#43を使い、巻き数も3回くらいにします。 引出し線をなるべく短く実装すればVHF帯も十分行けます。
コア材にメガネ型コアを使う方法もあって、なかなか優秀なトランスが作れます。巻き方と結線方法は同じです。写真を見ながら間違わないように結線します。 写真のPin番号は既製品のRFトランス：ADT4-1WTに合わせてあります。 従って回路図のPin番号通りに接続すればそのまま置き換えOKです。
＃ 多少手間は掛かりますがRFトランスの自作はお勧めです。
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RF-Amp.は測定器でテストしたあと、実際にシャックの無線機でも試しました。 受信系のトータルゲインが過剰になるのは承知です。 ただしいくらかでも緩和するためアンプの出力に10dBのアッテネータを入れました。 強い電波がひしめく7MHzはそもそも厳しいのですが、まずまず使いものになりそうです。 もちろん、既に十分なゲインを持っている市販の無線機に追加するのは無意味であり、むしろ有害と言うべきかも知れません。 後付けRF-Amp.の意味があるのは、もともとRF-Amp.が付いていなかったり、トータルのゲインが不足しているような受信機でしょう。そのような場合はたいへん効果的です。ここで扱ったようなRFアンプなら何れもノイズが少なくゲインも適当です。
自作機の場合、ゲインのあまりないミキサに前置する使い方がFBです。ゲインのあるミキサでは時にオーバーゲインになってミキサの部分で飽和してしまいます。 昔の真空管機ではRF-Amp.で40dB近いゲインを得ている例もあったようですが、電源電圧が低い半導体の場合、せいぜい20dBくらいが適当なようです。ゲインはその程度にして、ローノイズ（低NF）であることを重視します。 テストしたようなRF-Amp.ならどれもその目的に使えるでしょう。ミキサがDiode-DBMならRF-Amp.との間に3dBのPADを挟むのも上手な使い方です。 もし、アンプ自体のゲインが過剰と感じられる場合は入力コイルの部分でタップダウンするのも良い方法です。
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RF-Amp.以外の用途として、少し前のBlog（←リンク）で扱ったクリコン＋再生検波式の受信機に3SK294を使ってみました。 元々は3SK35GRを使っていましたが、エンハンスメント型の3SK294に置き換えます。
次項に回路図を示しますが、 検討した結果、第１ゲートの部分に抵抗器を一本追加するだけで同じように動作します。 ほか、いくらか調整のマージンを得るためにバイアス調整回路の抵抗値を変えたほうがよさそうでした。
調整は3SK35GRの時と同じように行ないます。 ソース電極で波形を観測して水晶発振の発振振幅が 2Vppになるようにバイアス調整します。 受信しながら良く聞こえる状態にセットしても良いでしょう。
感度など違いは感じられませんので、3SK35GRの部分は3SK294に置き換えることができます。 写真ではクリコン部分のみ交換していますが、原理的に第１ゲートに正のバイアスを掛ければ良いだけですから同様に再生検波回路も3SK294に置き換えできます。
先に作った再生式受信機のクリコン回路部分を3SK294に置き換えて作った回路です。
抵抗器が一本追加になりましたが、他の部分はほぼそのままです。 3SK35GRはディスコン（製造中止品）ですから、手に入るDual Gate MOS-FETに交換すると作り易いです。
なお、変換基板に実装してから判明したのですが、3SK35のような金属缶タイプの2ゲートMOS-FETとは裏返しのピン配置になります。 従ってそのまま差し換えて試すことはできません。注意が必要です。 面実装した変換基板を裏返しにすれば同じピン配列にできますが、実装したデバイスが見えなくなると何となく不安なので行ないませんでした。 本番のプリント基板実装なら裏面（パターン面）に搭載すれば辻褄が合います。（笑）
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Dual Gate MOS-FETが活躍するのは、シンプルな１石クリコンや再生検波回路くらいかもしれません。 しかし、性能が悪いわけではないので使わずに死蔵するのも勿体無いと思います。 ただし、どうしても部品数が増えてしまいますからなるべく２つあるゲートが活かせるようなアプリケーションに使うとスッキリしそうです。 今回の実験では、RF-Amp.と１石式のクリコンを試しました。 他には第２ゲートに局発を注入する形式のミキサー回路もなかなか旨く働いてくれます。 類似の用途ではダイレクト・コンバージョン受信機の検波器があります。
もちろん他の回路への応用も可能なのですが、あまり必然性のない使い方になってしまうでしょう。他に適当なデバイスがなければ別なんですが・・・という感じです。 でも、優秀なデバイスを埋もれたままにしては勿体ないです。機会を見て使って行きましょう。
時代に連れて色々なデバイスを使ってきました。その当時は便利で優秀と思って買い貯めたデバイスも後にはさらに良いものが登場して一気に陳腐化することも度々です。 半導体の進歩は留まるところを知りませんからね。 程々に買い置きして、自作に支障のないようにしておくくらいが丁度良いのかなあ・・・と思っています。 そうは言っても過去に買い貯めた「しがらみ」から容易に抜けられず、いつまでもレトロな路線ではそのうち誰からも相手にしてもらえなくなりそうです。（爆） ではまた。 de JA9TTT/1
参考：FET（電界効果トランジスタ）について、このBlogには関連した話題がたくさんあります。もし興味を覚えたらBlog画面の上部左側にある検索窓に「FET」とインプットして検索でご覧を。ほか、何か疑問とかあれば遠慮なくコメントして下さい。
おすすめ・追加情報：ヨーロッパ系のデュアルゲートMOS-FET：BF998を比較測定した続編のBlog（←リンク）があります。 3SK35や3SK59,etcとの比較用実測データもあり。
（おわり）
