電子回路

【増幅回路の基本】エミッタ接地回路

トランジスターと言ったら、まず「増幅回路」という言葉が、すぐ思い浮かびます

小さな信号を大きくする「増幅回路」は、アナログ回路の王道です

しかし、電気のことを全く知らないと「回路図」を見ても、一体何がどうなっているのかわかりませんよね

本を買って、アナログ回路を「ガチ」で学ぼうと思うと、いきなり数式です・・・

ここでは、そんな回路学習に苦しんだ「筆者の復習」も兼ねて書きたいと思います

図などを使って、できるだけ簡単に基本を説明できたらと思います

オームの法則については、こちらに詳しく書きました

オームの法則「公式」と「計算法」を、わかりやすく解説 オームの法則は、電気を学ぶ上で、避けては通れない公式です 「とにかく苦手」、「計算や使い方がよくわからない」 「いやあ~こ...

トランジスタとは何?という方、はこちらをどうぞ

トランジスターとは何だろう?仕組みを解説します 電子回路のパーツ「トランジスター」 基本的な半導体ですが、いざ勉強しようと思うと、実はなかなか難解です 「いつかは攻略して...

「接地」ってどういう意味?

ずばり、「共通(common)」という意味で使われています

英語では、エミッタ接地増幅器=common emitter amplifier です

増幅回路では信号の入力、出力があります。

信号の伝達に「入力2本・出力2本」の計4本配線が必要ですが

トランジスターは3本しか端子がありません

必然的にトランジスタ端子の「どれか」を入出力で「共有」するわけです

つまりは、トランジスタで「共有される=共通」端子の名前をとっているわけです

エミッタを共有するから「エミッタ接地」増幅回路

というわけですね

「エミッタ接地増幅回路」以外に

  • ベースを共有した「ベース接地増幅回路」
  • コレクタを共有した「コレクタ接地増幅回路」

があります

※コレクタ接地は一般的には「エミッタフォロワ」と呼ばれます

「エミッタ接地回路」は増幅回路の基本

エミッタを「共通」とした増幅回路で

トランジスタ増幅回路では、最もよく使われる回路のひとつです

これは、最も簡単な「エミッタ接地回路」です

「なんだかよくわかりません」という方、大丈夫です

これから順番に説明を交えて、回路動作を見ていきます

回路を構成する部品について

回路の部品について考えてみましょう

まず、V2は電源です(15V)

電源がないとトランジスタは動きません

V1は増幅したい信号源です(交流)

電波も、音楽プレーヤーの出力も

アナログ回路で扱う信号は、交流信号です

R1は「負荷抵抗」を想定して入れてあります

実際には、出力側につなぐ「回路や機器」ですね

R3は「入力信号源」の抵抗です

これも、入力側の「回路や機器」を想定したものです

そして、増幅回路として重要な部品は、以下の部品です

コンデンサー(C1・C2)

入出力にある「コンデンサー」は直流をカットして、交流を通す部品です

増幅回路は、電源として「直流」が印加されますので

一つは、増幅回路の「直流が、入出力側に影響を与えない」ためです

また、入出力側の「直流で、増幅回路が影響を受けない」ためでもあります

コンデンサーは直流を通さず、交流を通します

交流に対して「コンデンサーは抵抗成分(XC)」を持ちます

XC=1/(2πfc)(Ω)

V1は1KHzの交流信号、C2は10μFですから

1/(2x3.14x(1x103)x(10x10-6))

=1/(2x3.14x10x(103-6))

=1/(62.8x10-3)≒16(Ω)

XCはおよそ16Ωです

コレクタ抵抗(Rc)

⊿Icをコレクタ抵抗(Rc)で「出力電圧」として取出します

出力電圧=V2-(⊿IcxRc)

※「⊿」は変化量という意味です

トランジスタはベース電流変化(⊿Ib)、ベース電圧変化(⊿Vbe)を、大きなコレクタ電流の変化(⊿Ic)に変えます

コレクタ電流の変化量(⊿Ic)は、⊿Ibxhfe(同時に⊿Vbe x gm)です

※hfe:小信号電流増幅率、gm:相互コンダクタンス

hfeとhFEは本来違う考え方ですが、ここでは、hfe≒hFEと考えます

hFEとかgmってなんぞやという方

トランジスタの基本は、こちらに書きましたので、どうぞ!

トランジスターとは何だろう?仕組みを解説します 電子回路のパーツ「トランジスター」 基本的な半導体ですが、いざ勉強しようと思うと、実はなかなか難解です 「いつかは攻略して...

バイアス抵抗(R2)

増幅回路は「微小な信号」や「交流の負の部分」でも動作させるため

無信号時でも「ある程度Icを流します(アイドル電流)」

R2は、アイドル電流をながすため、ベースに「バイアス」を与える抵抗です

簡単に回路動作を見る

それでは、入力から出力まで、順を追って回路動作を見てみましょう

それでは、細かいところはおいておき、信号の流れを見てみましょう

  1. V1(入力信号)がコンデンサ「C2」に印加されます
  2. 「C2」で入力信号の「交流成分のみ」取出します
  3. 入力の交流成分がベースに印加されます
  4. ベースに印加された信号は、hfe倍(gm倍)のコレクタ電流(Ic)を流します
  5. コレクタ電流(Ic)を抵抗(Rc)で電圧に変換します
  6. 「C1」で出力信号の直流をカットして、「交流成分のみ」取出します
  7. 負荷(R1)に増幅された交流信号が出力されます
  8. 出力波形は入力波形とは逆の形(逆相)になります

なるほど!

部品の役割と、信号の流れを追ってみると、

意味不明だった「回路図の意味」がなんとなく見えてきましたね

それでは、この増幅回路、どの位の「ゲイン」なんでしょう?

ゲインはどのくらい?

増幅度(ゲイン)はどの位でしょう?

計算にあたり、回路図の部品を「一般的な名称」にしました

また、簡単になるように、入力の振幅は±1mVにしました

本当は、等価回路などを学ぶのが良いのでしょうが

それは、またの機会にして、式だけズバリ書きます

この回路のゲインは

hfe x R / (Rs + rπ)

R= Rc//RL (//は並列合成抵抗)

hfe/40Ic

※hfe≒hFEと考えてOKです

ゲインを計算してみる

hfe≒hFE=300

Rc<<RL なので、R=Rc=2KΩ

rπ=300/(40x4mA)=300/0.16=1875

(300x2000)/(10+1875)

≒318

1mV→約300mVになっていますので、概ねあっていますね

※もし、RL=10KΩだったら

R=2K//10K=1.67KΩですから

(300x1670)/(10+1875)≒266

RsやRLが大きくなると、ゲインが減る

Rsの値が200KΩ、RL10KΩだとしたら・・・

この回路のゲインを計算してみます

ゲインを計算

hfe≒hFE=300

R=Rc//RL なので、R=2KΩ//10KΩ≒1.67KΩ

rπ=300/(40x4mA)=300/0.16=1875

(300x1.67K)/200K+1875

≒2.48

信号源抵抗(Rs)や負荷抵抗(RL)の値で

ゲインが変わります

Rs=10Ω・RL=1MΩの回路では、ゲイン318倍

Rs=10Ω・RL=10KΩの回路では、ゲイン266倍

Rs=・RL=10KΩ200KΩの回路、ゲイン2.48倍

バイアスと動作点

実は、この「バイアス」が増幅回路では非常に重要です

最初の回路で、試しに「R2を取って」入力信号を印加してみます

出力は0ですね・・・

トランジスタは、ベースーエミッタ間電圧(Vbe)が0.6V前後になると

コレクタ電流(Ic)が流れますが・・・

逆に言えば、Vbe<0の場合はIcが流れないといえます

入力信号によって「Vbeが0.6Vに満たない」ため、Icが流れないのです

それでは、0.6Vを超える入力(1V)にしてみます

入力波形の「プラス側の0.6V以上」の部分だけ、Icが流れます

それ以下(マイナス側も含む)では、Icが流れず、波形が原型をとどめていません

これでは、増幅回路とは呼べないですね

R2を入れた回路で、シュミュレーションした波形をみてみます

確かに、キチンと入力信号が増幅されていますね

エミッター接地では、入力波形と出力波形は逆相(反転増幅器)です

固定バイアス回路

この回路ではバイアスを作る仕組みが「1本の抵抗(R2)」だけです

能動的に「バイアスの電圧(電流)が変わらない」

このようなバイアス回路を

固定バイアス回路といいます

「バイアス」には「偏り」という意味があります

文字通り、ベースに電気的「偏り」与えて

無信号時でもコレクタ電流(Ic)を流し

微小信号や、入力信号の負電位にも対応するわけですね

固定バイアスでは

無信号時「R2」に流れる電流が、hFE倍されて「Ic」になります

Ic={(V2-0.6)/R2}xhFE

任意のIcになるようにR2を選びます

動作点を決める

バイアスが重要なことはわかりました。

では、どの位コレクタ電流(Ic)を流せば良いのでしょう?

信号が印加されると、IcやVceも変化します

Icが多すぎ/少なすぎると、増幅動作時に出力が頭打ち(クリップ)してしまいます

無信号時の「IcとVce」を「動作点」といいます

動作点=増幅動作の中心

コレクタ側では、動作点を中心に、波形の振幅が「上下に発生します」

動作点を決めるのには、負荷線(load line)が役立ちます

2SC1815:IB(5μA)ごとのIcとVceのグラフ

トランジスタのデータシートなどに掲載されている(IcーVce)特性図などでも良いのですが、今回は解りやすいよう、ステップ・シュミュレーション出力に引いてみます

負荷線を引くには・・・

電源電圧(V2)・コレクタ抵抗(Rc)の場合

  • 横軸(Vce):電源電圧(V2)→ これはIc=0のVce値
  • 縦軸(Ic):V2/Rc → これはVce=0のIc値

に直線を引きます

横軸:電源電圧=15V

縦軸:15V/2KΩ=7.5mA

に直線を引きます

出力電圧は、Ic特性とRcにより負荷線上を動きます

Vceが0に近くなると、hfeが急に小さくなり、歪が多くなります

また、Vceは最大で電源電圧までです

負荷線に示した青丸付近が、大きな振幅が取り出せる場所です

赤丸の位置にアイドル電流を流すと、上下どちらかの振幅が早く頭打ちになります

負荷線の「青丸付近のIc値」を式に代入

Ic={(V2-0.6)/R2}xhFEなので

R2={hFE(V2-0.6)}/Ic

Ic=4mA、V2=15V、hFE=300なら・・・

R2=(300x(15-0.6))/0.004

=4320/0.004=1080000

≒1MΩ

※動作点は(電源電圧/2)位が良いと言われています

(正確にはVce最大変化の半分)

ただ、出力に問題がなければ、この位置からズレても大丈夫です

固定バイアスの問題点

固定バイアス「エミッタ接地」は、簡単で理解しやすいのですが

トランジスタ増幅回路では、

固定バイアス回路は、あまり使われません

実用の増幅回路として「使いにくい」要素がおおいのです

ゲインが固定

固定バイアスの「エミッタ接地」増幅回路では

ゲインがhFEによって変わります

トランジスタのhFEは、個体差が大きく

そのため、増幅回路のゲインも大きく左右されます

また、ゲインが大きすぎます

バイアス抵抗(R2)がhFEよって変わる

バイアス抵抗もhFEごとに変えなければなりません

今回は1MΩでしたが、高抵抗には微妙な値が存在せず

Icを希望の動作点にすることが困難です

(素子のバラツキに弱い=再現性の低い回路)になりやすい

仮に、希望の抵抗値があったとしても、量産などで

マッチングを行うことは不可能に近いです

温度でコレクタ電流が変動する

真空管などと違い、トランジスタは温度に非常に敏感です

固定バイアスでは、「動作点」が温度変化によって容易に変動します

それどころか、大きな電流を扱う回路では、発熱によってIcがどんどん増加して

最悪トランジスタが破損します(熱暴走)

歪が多い

先程の回路シュミュレーションですが、入力を10mVにしました

出力波形をよく見てください

波形が上下非対称ですよね、明らかに歪んでいます

歪み率はなんと!、8%位あります

シュミュレーションが間違っているわけではありません

こちらは、ブレッドボードで組んだ回路で「実測」した波形です

波形の大きさは違いますが、シュミュレーションと同じように下側が伸びています

固定バイアスでは、歪を減らす「フィードバック」等の技術は何もありません

必然的に歪が多めです

参考:信号源抵抗(Rs)と入力抵抗(rπ)

※この項目、ちょっと難しいかもしれません(初心者の方は読み飛ばし可です)

このシュミュレーションの出力波形を見てください

先程の結果と違い、上下端ともほぼ同じ電圧まで振れています

目視でも、歪が少ないとわかります(それでも、歪率は1%です)

バイアス抵抗も、トランジスタも、動作点まで全く同じです

何が違うのでしょう?

実は・・・

「信号源抵抗Rs」が大きくなっています

これは、あくまで一つの例ですが

信号がベース・エミッタ間に印加される場合

(エミッタ接地かベース接地の場合)

※rπ=トランジスターの(小信号的に見た)入力抵抗

「信号源抵抗Rs」が「入力抵抗rπ」に比べて非常に大きい

定電流信号源でトランジスタをドライブ=歪が少ない

IbとIcの関係は、非常にリニアです

「信号源抵抗Rs」が「入力抵抗rπ」に比べ非常に小さい

定電圧信号源でトランジスタをドライブ=歪が多い

VbeとIcの関係は、非直線的です

※これは増幅回路で異なります

差動回路やエミッタフォロワでは「定電圧的ドライブ」の方が低歪です

※実際にはRs200KΩはかなり大きな値で、現実的ではないのですが

トランジスタは「ドライブ条件」で歪率が変わることが判ります

これは、固定バイアスに限りません

実際には、歪率1%のアンプで音楽を聞いても、歪んでいるようには聞こえないでしょう

ただ、アンプの入力に抵抗200KΩは、大きすぎですが・・・

まとめ

エミッタ接地増幅回路は

  • 「エミッタ」を共有(共通・接地)した増幅回路です
  • トランジスタの増幅回路では、ポピュラーな回路です
  • ベースに印加された信号を増幅し、コレクタから出力します
  • 出力波形は入力波形の「逆相」になります
  • 増幅回路を正常動作させるため、「バイアス」が必要です
  • バイアスによって流すコレクタ電流を「アイドル電流」といいます
  • アイドル電流の最適値は、「負荷線」から推定できます
  • 固定バイアス回路は、抵抗1本で構成できます

固定バイアス抵抗の計算

Ic={(V2-0.6)/R2}xhFE

ゲインの計算

hfe x R / (Rs + rπ)

R= Rc//RL (//は並列合成抵抗)

hfe/40Ic

固定バイアス回路は、簡単で増幅回路の基礎を学ぶには適しています

しかし、多くの問題があり、実用の増幅回路にはあまり使われない

「ここが使いにくい!」固定バイアス
  • ゲインが固定、hFEに左右される
  • バイアス抵抗をhFEごとに変える必要があり、現実的ではない
  • 温度変化による「コレクタ電流変動」を補償できない
  • 自己発熱からの「動作点不安定」や「熱暴走」の危険がある
  • フィードバック等がないため、歪がメチャ多い

次回の投稿では、「ゲインやIcを任意に決められ、温度変化に強い」

実用的な「エミッタ接地」について、書きたいと思います