Perché i FET Sono Eccellenti Amplificatori Buffer: Alta-Z In, Bassa-Z Out

Requisiti dell'Amplificatore Buffer

Un buffer (seguitore di tensione) necessita di: alta impedenza di ingresso (per non caricare la sorgente), bassa impedenza di uscita (per pilotare il carico), guadagno unità, ampia banda e bassa distorsione. I FET — specialmente JFET e MOSFET — eccellono in tutti e cinque.

1. Impedenza di Ingresso Ultra-Alta (Z_in)

• Gate JFET: Giunzione PN polarizzata inversa → I_G ~ pA–nA → Z_in > 10¹⁰ Ω (spesso 10¹² Ω).
• Gate MOSFET: Isolato (SiO₂) → I_G ~ fA → Z_in effettivamente infinito (limitato da perdite PCB).
• Base BJT: Giunzione PN polarizzata in avanti → I_B = I_C/β → Z_in = β·r_e ≈ 10–100 kΩ. Carica significativamente la sorgente.

2. Bassa Impedenza di Uscita (Z_out) in Source Follower

• Configurazione drain comune (seguitore di fonte): V_out segue V_in - V_GS.
• Z_out ≈ 1/g_m (tipicamente 50–500 Ω per FET di segnale piccolo).
• Può pilotare linee audio 600 Ω, ingressi ADC, cavi coassiali direttamente.
• BJT emitter follower: Z_out ≈ 1/g_m anche, ma necessita corrente di base → Z_in inferiore.

3. Ampia Banda

• Nessun ritardo di immagazzinamento di portatori minoritari (a differenza dei BJT).
• f_T (frequenza guadagno unità) di MOSFET/JFET RF: 1–20 GHz.
• Banda del seguitore di fonte limitata da C_gs + C_load — facilmente > 100 MHz con layout adeguato.

4. Basso Rumore

• Solo rumore termico (resistenza canale) — nessun rumore di sparo da corrente di gate.
• JFET: 1–5 nV/√Hz (es. LSK489, 2SK170).
• MOSFET: rumore 1/f leggermente più alto; MOSFET RF competitivi.
• BJT: rumore di tensione più basso ma rumore di corrente si aggiunge ad alta impedenza di sorgente.

5. Eccellente Linearità

• Trasferimento a legge del quadrato (JFET) o quadratica (MOSFET) → distorsione armonica seconda prevedibile.
• Nessuna esponenziale I_C-V_BE (BJT) → più facile da linearizzare con feedback/degenerazione.
• Resistenza di degenerazione di sorgente (R_S) migliora ulteriormente la linearità.

6. Circuito Seguitore di Fonte — Il Classico Buffer FET

 Vdd | [R_D] (opzionale, per carico a corrente costante) | Gate ────── Vin | FET | Source ────── Vout (segue Vin - Vgs) | [R_S] o Corrente Costante | GND 

• Guadagno tensione ≈ g_mR_S / (1 + g_mR_S) → ~0,9–0,99.
• Ingresso: gate (Z_in = R_G || Z_gate ≈ 1–10 MΩ impostato da resistore di polarizzazione).
• Uscita: source (Z_out ≈ 1/g_m || R_S).

Applicazioni

• Stadio ingresso preamplificatore audio (pickup piezo, microfono a condensatore).
• Strumentazione: buffer per sonda pH, fotodiodo, accelerometro.
• Driver ADC: bassa Z_out carica condensatore di campionaggio rapidamente.
• RF: driver linea 50 Ω, buffer LO.
• Sonde attive (oscilloscopio): ingresso FET → 1 MΩ || 1 pF.

Avvertenze

• Sensibilità ESD: L'ossido di gate MOSFET si rompe a ~30 V. Maneggiare con cinturino antistatico.
• Deriva termica: V_GS(th) cambia ~ -2 a -4 mV/°C. Usa coppie abbinate o polarizzazione a corrente costante.
• Costo: Coppie JFET abbinate (LSK489, 2SK389) $5–20 vs. coppie BJT $0,20.

Verdetto

Per sorgenti ad alta impedenza (sensori, pickup, punti di prova), i buffer FET sono unicamente capaci — catturano il segnale senza caricarlo, quindi pilotano lo stadio successivo con autorità. I BJT non possono eguagliare l'impedenza di ingresso; gli op-amp aggiungono rumore/complessità. FET = il buffer naturale.