今回は、ゲインやコレクタ電流が「任意」に決められる「電流帰還バイアス」のエミッタ接地回路です
「固定バイアス」のエミッタ接地回路は、基本中の基本ではありますが
いろいろと難点が多く、実用には今ひとつでした
「電流帰還バイアス」は、「固定バイアス」の不都合がほぼ解消された、実用的な回路です
前回投稿はこちらをどうぞ・・・
トランジスタの基本は、こちらで書いています
オームの法則について、知りたい方はこちらです
ゲインやコレクタ電流を自由に決めたい
トランジスタの、エミッタ側は定電流動作です
エミッタ抵抗（Re）を組み合わせると、「コレクタ電流（Ic）を任意に決める」ことができます
※詳しくはこちらで書きました
では、エミッター接地回路に、コレクタ抵抗（Rc）とエミッタ抵抗（Re）を両方入れたら・・・
電流帰還バイアス回路です
これは、コレクタ電流（Ic）を任意に決められる増幅回路になります
そして、それだけではなく
- ゲインをｈFEとほぼ関係なく、RcとReの抵抗比で決められる
- 温度変化によるIc変動や熱暴走を抑える
- 歪が大きく減る
など、固定バイアス回路の不都合が、ほぼ解消された
実用的な増幅回路になります
電流帰還バイアス回路とは
「電流帰還バイアス」のエミッタ接地回路です
固定バイアスと比較して
- エミッタ抵抗（Re）
- ベースのバイアスを作る分圧回路（RAとRB）
が追加されました
固定バイアス回路に「たった2本の抵抗」を追加しただけですが
固定バイアスから、大幅に進化しています
固定バイアスの「使いにくさ」が解消されただけでなく、実用回路としても、十分な性能を持っています
電流帰還バイアスの「各部動作」を見てみる
それでは、回路の働きをザックリ見ていきましょう
①トランジスタが働くためには、ベース・エミッタ間電圧（Vbe）が0.6V位必要です
そのため、ベース電圧（VB）は
VB= Ve+Vbe≒ Ve+0.6
の電圧を印加しなければなりません
この回路では、VB=2.6V、Ve=2.0Vです
②トランジスタのエミッタ抵抗（Re）で、エミッタ電流を決めています
エミッタ電流（Ie）≒ コレクタ電流（Ic）ですから
同時にコレクタ電流（Ic）が決められているといえます
この回路ではRe＝1KΩ、Reの電圧（Ve）約2Vですから
Ie≒Ic=2ｍA
③VBは抵抗「RAとRB」の分圧で作っています
Icが流れるということは、ベースに「Ic/ｈFE」の電流が流れるわけです
VBがベース電流で影響を受けないためには
RAとRBを流れる電流（Ibias）は、ベース電流（Ib）の10倍以上
この回路では、Ibias≒1.23ｍA、Ibは7μA位です
（ｈFE300、Ic=2ｍAとして計算）
十分条件を満たしています
④RcによってIcの変化を電圧に変え、出力します
出力＝V2-（⊿IcｘRc）
この動作自体は固定バイアスと同じです
ゲインは、およそ（-Rc/Re）
電流帰還バイアスのエミッタ接地回路では
Rc＜＜RLならば、ゲインはおよそ
–Rｃ/Re（倍）
になります
RLを考慮するならR=Rc//RLとして
–R/Re（倍）
※ゲイン倍された逆相という意味で「式にマイナス」がついています
「＜＜」は非常に大きい、「//」は抵抗の並列和を表します
電流帰還バイアスのゲインは、トランジスタのｈFEに「ほぼ関係なく」決まります
シュミュレーションで見てみましょう
入力は1Vです、RLが大きいため、ゲインは
Rc/Re=3、逆相です
出力は、ほぼ3Vまで振れています
では、Rc＝6KΩ、Re=2KΩにしてみます
これでも、Rc/Re=3ですから、3倍の反転増幅回路のはずです
ご覧の通り、きちんと3Vの振幅が出力されています
2つの回路のゲインは同じです
しかし、アイドル電流は異なっています
上の回路（Rc=3KΩ、Re＝1KΩ）では、Ic≒2ｍA
下の回路（Rc=6KΩ、Re=2KΩ）では、Ic≒1ｍAです
歪率も改善されている
固定バイアスの場合、Rs=10Ωでは、8％もの歪がありました
これは、波形を目で見ただけで判るくらい歪んでいました
こちらは、同じRs=10Ω、電流帰還バイアスでの歪率です
なんと、0.2％まで改善されています
これは、エミッタ抵抗（Re）によってフィードバック（電流帰還）がかかるためです
このため、歪率が大幅に改善されます
「電流帰還バイアス」は、その名前の通り、電流帰還を使ったバイアス回路です
ｈFEは無くなったのではなく、Reによって「フィードバック」されていたのです
Reにより、トランジスタの入力抵抗（rπ）が非常に高くなります
実質、電流帰還バイアスの「回路としての入力インピーダンス」は
RA//RBとほぼ等しくなります
電流帰還バイアスの入力インピーダンス
22KΩ//4.7KΩ≒3.9KΩ
固定バイアスの入力インピーダンス
300/40ｘ0.004＝1.9KΩ（ｈFE300，Ic4ｍA）
300/40ｘ0.01＝750Ω（ｈFE300，Ic10ｍA）
※固定バイアスの入力インピーダンスが、ｈFEやIcに依存して変化するのに対し
電流帰還バイアスでは、Icが大きくなっても、ほぼ同じ値です
電流帰還バイアスの「増幅動作」を見てみよう
それでは、電流帰還バイアスでの「増幅動作」を見てみましょう
まず、無信号時を見てみましょう
解りやすいように、VB=2.6V、Ve=2.0Vとし、Ie=Ic、Vbe=0.6V一定とします
今、Ic＝2ｍA流れています（Ve/Re1）
Rｃの電圧降下（Vc）は3Vですから
出力は、15-3＝9Vです
入力が1V増えると・・・
入力が（+1V）増加します
すると、各電圧、電流は次のように変化します
※Vbe=0.6Vで一定、Ie＝Icと考えます
- 入力電圧が1V増加します
- VBが2.6V→3.6Vになります
- Vbe=0.6Vですから、Veは2.0V→3.0Vになります
- エミッタは定電圧動作ですから、IeとIcは2ｍA→3ｍAになります
- Vcが6V→9V、出力は15-Vcですから、9V→6Vになります
- 出力は無信号時より、-3V変化します
この回路のゲインはRc/Re1=3、逆相です
入力1V増加で、出力は3V減少します
入力が1V減少すると・・・
入力が（-1V）減少します
すると、各電圧、電流は次のように変化します
※Vbe=0.6Vで一定、Ie＝Icと考えます
- 入力電圧が1V減少します
- VBが2.6V→1.6Vになります
- Vbe=0.6Vですから、Veは2.0V→1.0Vになります
- エミッタは定電圧動作ですから、IeとIcは2ｍA→1ｍAになります
- Vcが6V→3V、出力は15-Vcですから、9V→12Vになります
- 出力は無信号時より、+3V変化します
この回路のゲインはRc/Re=3、逆相です
入力1V減少で、出力は3V増加します
ゲインがRc/Reで決まる理由
※⊿Ie=⊿Ic、Vbeは一定、Ic=Ie、またRc＜＜RLとして
入力の電圧変化＝⊿Vi、出力の電圧変化＝⊿Voとすれば
ゲインは⊿Vo/⊿Viです
Vbeは一定と考えれば
⊿Vi＝⊿Ve（Viの変化はそっくりVeの変化）
そのため、⊿Ie（エミッタ電流の変化）は
⊿Ie=⊿Ve/Re＝⊿Vi/Re
この式を変形すると
⊿Vi＝⊿IeｘReです
⊿Vo＝-(⊿IcｘRc)ですから
ゲイン＝⊿Vo/⊿Vi
＝ -(⊿IcｘRc)/(⊿IeｘRe)
⊿Ie=⊿Ic、Rc<<RLなら
ゲイン＝⊿Vo/⊿Vi＝－（Rc/Re）となります
ｈfeがあまり大きくない場合
実際のゲインは（-Rc/Re）より「少し小さく」なります
ｈfeが大きくなれば、（-Rｃ/Re）に近づきます
回路の設計自由度を上げる
ゲインが5倍の増幅回路を作ります
電源15Vで、VB≒2.6Vとし、Ve≒2.0Vにします
Ic≒2ｍAにしたいため、Re=1KΩにします
ゲイン5倍なので、Rc＝5KΩにします
ここまでは、順調なのですが
入力に1Vの信号を入れます、すると・・・困ったことが起こります
本来なら、約5倍されて±5V位のピークが出力されるはずですが・・・
歪んでしまっています
これは動作点（増幅の中心）が不適切なせいです
Vcの下端が、Veの上端に達して「クリップ」しています
これでは、きちんと入力信号が増幅できません
「動作点」と「ゲイン」を別々に設定する
電流帰還バイアスでは、「動作点」と「ゲイン」がReとRcによって決まります
これは、「動作点」を動かすと、「ゲイン」も変わるわけです
ついでに言えば、Icも変わり、VBと電源電圧も一枚噛んでいます
これは困ります、せっかく固定バイアスの欠点を克服したというのに・・・
ですが・・・必殺技があるのです
こちらを御覧ください
ゲイン5倍、Ic≒2ｍA、電源電圧15Vです
さっきの回路の仕様と変わらないのですが
1Vの入力をほぼ5Vに増幅できています
実は、Reをコンデンサーで分割しています
コンデンサーは、交流を通し直流をカットします
コンデンサの交流抵抗は（100μF・1KHz）「ほぼ0」です（1/（2πfC）≒1.6Ω）
そのためエミッターの抵抗は・・・
直流的に見ると、Re2+Re1＝1KΩです
交流的に見ると、C3でRe1がバイパスされますから、Re2＝600Ωです
つまり、直流（動作点、Ic）と交流（ゲイン）を別々に設定できるのです
Icの値：Ve/（Re1+Re2）≒2V/1000≒2ｍA
ゲイン：Rc/Re2＝3K/600＝5
動作点とゲインを別々設定した結果
Vcの下端に余裕ができました
これで、正常に増幅動作を行わせることができます
まとめ
電流帰還バイアス回路は、エミッタ抵抗（Re）を追加することで
性能や使い勝手の向上したバイアス回路です
エミッタ抵抗（Re）により
- Icをある程度自由に決められます
- 温度変化によるIcの変動を補償
- 歪みが低減
など、固定バイアス回路の不具合を、ほぼ解消した実用的な回路です
ゲインは大体（-Rc/Re）になります
ベースバイアスは、抵抗分圧（RA・RB）によって作りますが
バイアス電流はベース電位が不安定にならないよう、十分（Ibの10倍以上）流します
Reをコンデンサーで分割することで、
直流（Icや動作点）と交流（ゲイン）の値を、ある程度自由に設計できます
