ベース接地回路は、私にとって動作イメージが「一番わかりにくかった」増幅回路です
図などを使い、ベース接地回路の「特徴と動作イメージ」をわかりやすく解説したいと思います
他のトランジスタ増幅回路は、こちらに記事があります
オームの法則について、こちらの記事が詳しいです
ベース接地回路とは
ベース接地回路は、高周波回路でよく使われます
逆に言えば、低周波増幅で単体で使われることは稀です
それは、ベース接地回路が「こんな特徴」をもっているからです
- トランジスタのベース端子を共有（共通）した増幅回路
- 入力と出力は同じ波形（同相）
- 電圧利得： （Rc//RL)/Rs
- 電流利得：1倍より小さい
- 入力インピーダンスが「とても小さい」
- 出力インピーダンスが「大きい」
- 高周波特性がエミッター接地回路より優れている
ベース接地回路の「特徴と動作イメージ」
あまり難しいことは、専門書に任せるとして
特徴と動作イメージを見てみましょう
ベースは交流的に共有（接地）
ベース接地回路は、このようにベースが共有されています
コンデンサーは交流的に見れば、ショート（0Ω）と同じです
ベース接地回路では
- 入力はエミッタです（正確にはベース/エミッタ間）
- 出力はコレクタです（V2-Vc）
ということは・・・
入力は図の通り「エミッタ」です
そして、エミッタは定電圧動作です
定電圧動作≒０Ωですから
ベース接地回路の「入力インピーダンスはとても小さい」
出力はエミッタ接地回路と同じですから
ベース接地回路の出力インピーダンスはエミッタ接地回路と同じ
Rc//RL・・・大きい
といえます
トランジスタの「コレクタとエミッタの違い」は、こちらに詳しく書いています
ベース接地回路の動作イメージ
ベース接地回路がどのように動作するか、イメージしてみましょう
筆者は最初、これがわかりませんでした・・・
まず、前提として
- エミッタは、完全な定電圧動作・・・トランジスタの入力抵抗は０Ω
- Ie=Ic
とします
理解のポイントは「抵抗Rs」を入れて考えるということです
Rsが無いと、入力電圧が変化してもRe1両端の電圧は変化しないため、
次はどこが変化して行くのか、迷子になります
それでは、入力電圧が上下した場合、
それぞれ順を追って見ていきましょう
入力が無い（0V)時の動作を確認
最初に、各電位を確認しましょう
- Rs両端には3V（Re1と同じ）の電圧がかかっています
- Rsに電位差が無いので、Iin=0です
- Re1を流れる電流は1ｍA「エミッタが定電圧」なので常に一定です
- Ieも1ｍAになります
- Ie=Icから、Ic=1ｍAです
- Icが1ｍA、Rc（10KΩ）によって電圧変化に変えられます
出力電位Voutは（V2－Vc）
＝（15V-（1ｍAｘ10KΩ））＝5V
出力電位5Vで、コンデンサーで直流カットされますから
交流出力は０Vです
入力電圧が0.1V上昇した場合
入力電圧が+0.1V変化しました・・・すると
- Rsに0.1Vの電圧が印加されます
- Rsに0.1mAの電流が「エミッタ向き」に流れます
- Re1を流れる電流は「エミッタが定電圧」なので常に一定です
- よって、Rs電流は「全てIeの変化（0.1ｍA減少）」になります
- Ie=Icから、Rs電流は「そっくりIcの変化（0.1ｍA減少）」です
- Icが1ｍA→0.9ｍAになり、Rcによって電圧変化に変えられます
出力電位は5V→6V（15-9＝6）に変化します
交流出力は変化分ですから、(+1V)です
もう少し、詳しく見ていきましょう
①で印加された電圧（+0.1V）は、コンデンサーを通ってRsの入力側電圧を押し上げます
②Rsの入力側が3.1V、エミッタ側は定電圧ですから3Vです
オームの法則に従い、0.1V/1KΩ＝0.1ｍAの電流（Iin）がエミッタ向きに流れます
③Iin（0.1ｍA）は、エミッタ電流（Ie）と合流してRe1を流れます
この時・・・
- エミッタ＝定電圧
- Re1に掛かる電圧も一定
- Re1の電流は常に一定（Ve/Re1）です
- しかし、Iin（0.1ｍA）は合流してRe1を流れます
- その辻褄を合わせるため、トランジスタのIeが減少（-0.1ｍA）
④つまり、Iinの変化はそっくりIeの変化になります
⑤Ie≒Icです、今はIe=Ieと考えれば
Iinの変化はIcの変化です
⑥Icが0.1ｍA減少します
出力電位は（V2－Vc）ですから、Icが減り、Vcが減ると
出力電位は上昇して5Vから6Vになります
コンデンサーで直流カットされた、変化分（+1V）が出力電圧です
入力電圧が0.1V減少した場合
それでは、逆向きの変化も見てみます
入力電圧が（－0.1V）変化しました・・・すると
- Rsにー0.1Vの電圧が印加されます
- Rsに0.1mAの電流が「入力向き」に流れます
- Re1を流れる電流は「エミッタが定電圧」なので常に一定です
- よって、Rsの電流は「全てIeの変化（0.1ｍA増加）」になります
- Ie=Icから、Rs電流は「そっくりIcの変化（0.1ｍA増加）」です
- Icが1ｍA→1.1ｍAになり、Rcによって電圧変化に変えられます
出力電位は5V→4V（15-11＝4）に変化します
出力電圧は変化分（-1V）です
ベース接地回路のゲイン
正確には
- Ic＝（hfe/(1+hfe)）xIe
- エミッタの電圧がIeの変化で変わる（トランジスタの入力インピーダンス）
などの理由で若干異なりますが
電子工作などでの「実用的な範囲」として電圧利得（ゲイン）は・・・
電圧利得（ゲイン）は、
入力電圧と出力電圧の変化分です
⊿Vout/⊿Vin
⊿Vout＝⊿Icｘ（Rc//RL)
⊿Vin＝⊿IinｘRs
ここで、⊿Iin＝⊿Ie＝⊿Ic、RL＞＞Rcとすれば
⊿Vout＝⊿IcｘRc
⊿Vin＝⊿IcｘRsですから
ベース接地回路の電圧利得（ゲイン）は
⊿Vout/⊿Vin ≒ Rc/Rs
となりますね
※「RL＞＞Rc」は、RLがRcより十分に大きい
※「//」は抵抗の並列和です
この回路のゲインは、RLがとても大きいので
Rc/Rs＝10倍、同相になりますね
「gm」や「hfe」といった、トランジスタの基本はこちらをどうぞ
ベース接地回路の強み＝高周波特性が良い
エミッタ接地回路で、高周波ゲインが伸びない理由
なぜ、エミッタ接地回路は「周波数が高くなる」とゲインが低下するのでしょう
それは、トランジスタの各端子間に「コンデンサ」成分（寄生容量）があるからです
この「寄生容量」と「抵抗」によって入力に「ローパスフィルタ」が形成されます
ローパスフィルタとは、低い周波数を通過させ、高い周波数では減衰するフィルタです
これが、高い周波数でゲインが低下する理由です
特に問題が大きいのが
エミッタ接地回路での「Cbc(ベース/コレクタ間の容量）」です
エミッタ接地回路では、ベースに入力電圧Vi
コレクタに（電圧利得＝Av倍）の電圧（逆相）が印加されます
この時、Cbcの両端には
（Vi-（-ViｘAv))＝（Av+1）Vi
Viの（Av+1）倍の電圧がかかります
つまり・・・エミッタ接地回路のベースからCbcを見ると
（Av+1）ｘCbc
のコンデンサに見えるのです
「ミラー効果」と呼ばれる現象です
エミッタ接地回路では
- 入力側の抵抗（Rsなど）
- （Av+1）倍されたCbc
の間で「ローパスフィルタ」が形成されます
そのため、エミッタ接地回路では、
高い周波数で利得を稼ぐことが難しいのです
ベース接地回路は「ミラー効果」の影響がない
ベース接地回路は、電圧利得（Av)があるにもかかわらず
ミラー効果の影響がありません
一見すると、エミッタとコレクタに（Av-1）倍の電圧がかかっています
普通に考えると入力側に「RsやRe」と（Av-1）倍（Cec）で「ローパスフィルタ」できそうに見えます・・・
しかし、ベース接地回路では、ミラー効果の影響がないのです
ベース接地回路ではエミッタに電圧振幅が現れません
- これは、エミッタが「定電圧動作」だからです
- ベース/エミッタ間を「定電圧源」とすれば
- 交流的にはベース/エミッタ間は「短絡（ショート）」と同じ
つまり、「エミッタは交流的に接地（GND)」とみなせます
「ローパスフィルタ」が形成されるのは、入力ーGND間に「コンデンサ」が入るためです
入力が接地されてしまえば、「ミラー効果」の影響が生じないわけです
まとめ
トランジスタの「ベース接地増幅回路」は・・・
- トランジスタのベース端子を共有（共通）した増幅回路
- 入力と出力は同じ波形（同相）
- 電圧利得： （Rc//RL)/Rs
- 電流利得：1倍より小さい
- 入力インピーダンスが「とても小さい」
- 出力インピーダンスが「大きい」
ベース接地回路のエミッタ（入力）は、交流的接地
- ミラー効果の影響を生じない
- 高周波特性がエミッター接地回路より優れている
ベース接地回路は「単体」では非常に使いにくい回路ですが
周波特性が良いため「高周波増幅」ではよく使われます
低周波でも、エミッタ接地回路と組合せた「カスコード回路」として使われます
