電子部品と回路

エミッタ接地回路の「ゲイン」を自由に決める【トランジスタ・電流帰還バイアス】

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・・・

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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

トランジスターの「コレクタ」と「エミッタ」の違い【定電流動作・定電圧動作】 トランジスターは、ベース電流(電圧)によって、コレクタ電流をコントロールします しかし、エミッタも同時に、コレクタ電流とほぼ同じ...

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

ReとVeのもう一つの重要な役割

Veを大きくすると、温度変化によるIc変動に強くなります

つまり、動作点が安定し、熱暴走の危険が大幅に減ります

しかし、Veを大きくすると出力の振幅が減ってしまします

通常Veは

1.5V<Ve<2.5V

に決められることが多いです

※温度変化を抑制するには、最低でも1V以上Veが必要です

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

固定バイアス(歪率)

こちらは、同じRs=10Ω、電流帰還バイアスでの歪率です

電流帰還バイアス(歪率)

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

  1. 入力電圧が1V増加します
  2. VBが2.6V→3.6Vになります
  3. Vbe=0.6Vですから、Veは2.0V→3.0Vになります
  4. 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
  5. Vcが6V→9V、出力は15-Vcですから、9V→6Vになります
  6. 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

出力の下限電圧は最大で

「Ve」位まで

実際には、小信号入力時はVe以下になりますが

増幅回路としては、使わないほうが良いです(能動領域を外れる)

また、VBに入力される振幅が、そっくりVeの変化になります

大きな振幅入力では、必然的にVeが大きく変化します

Vcが増加(出力が減少)するとき、Veも増加します

出力で取り出せる範囲はもっと狭くなります

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

  1. 入力電圧が1V減少します
  2. VBが2.6V→1.6Vになります
  3. Vbe=0.6Vですから、Veは2.0V→1.0Vになります
  4. 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
  5. Vcが6V→3V、出力は15-Vcですから、9V→12Vになります
  6. 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

出力の上限電圧は最大で

ほぼ、V2(電源電圧)です

仮にIc=0とすると、V2(電源)電圧が出力されます

実際には、トランジスタOFFにはなりませんが

トランジスタは、Icが極めて小さい値まで正常動作(能動領域)です

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

※シュミュレーションなので、わかりやすい抵抗値に設定しました

実際には、近い値(5KΩ→4.7KΩなど)の抵抗に置き換えます

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