トランジスタ回路：エミッタ接地増幅回路

トランジスタ増幅回路 2021年7月24日 @uchan_nos 1 /42

自己紹介 内田公太 @uchan_nos サイボウズ・ラボ株式会社  教育用OS、言語処理系の研究開発 趣味1：自作OSコミュニティ「osdev-jp」の運営  「自作OSもくもく会」をたまに開催 趣味2：「uchanの電子工作ラボ」運営  電子回路のはんだ付けや計測の設備  私とお話ができる  https://uchan.net/lab/

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この発表の目的 「定本 トランジスタ回路の設計」を読み、 トランジスタを用いた増幅回路を解説 今更、単体のトランジスタ回路を勉強する のはなぜ？  単体の動作を理解すると、ICを使った回路をよ り良く設計できる  原理が理解できて面白い  アセンブラを学ぶと面白い、という感覚に似て いる気がする 1991年12月20日発行 未だに絶版になってない！ 3 /42

目次 抵抗器とコンデンサの基礎 コンデンサと交流信号 PN接合とトランジスタの原理 エミッタ接地回路の動作 エミッタフォロワ回路の動作 4 /42

抵抗器の動作 500Hzの矩形波を入力 実験回路 （理想的な）抵抗器は V=IRに忠実に従う 1kHzのサイン波を入力 5 /42

抵抗器の動作 GND（グラウンド） 電位の基準 500Hzの矩形波を入力 実験回路 シミュレーション設定 .tran=過渡解析 5m=5ミリ秒 （理想的な）抵抗器は V=IRに忠実に従う 1kHzのサイン波を入力 6 /42

コンデンサの動作 ほぼ 満充電状態 実験回路 コンデンサは信号が変化 したときだけ、伝える （微分のようなもの） 7 /42

コンデンサの充電 C1 E[V] とする + - + - + - + - E[V] 満充電状態 両端電圧がE[V]になるように 電荷が貯まっている 8 /42

充電開始直後の電位の関係 GNDを基準とした電位 E 短絡されている部分は 必ず同じ電位になる 0 この時点 9 /42

満充電時の電位の関係 GNDを基準とした電位 E 短絡されている部分は 必ず同じ電位になる 0 この時点 10 /42

コンデンサの放電 C1 一気に 0[V] にする + - + - + - + - E[V] V1=0[V]にした直後は C1の両端電圧はE[V]のまま →Vout=-E[V] ※GNDを基準にした電位 11 /42

放電開始直後の電位の関係 GNDを基準とした電位 E 短絡されている部分は 必ず同じ電位になる 0 -E この時点 12 /42

放電中の電位の関係 GNDを基準とした電位 E 短絡されている部分は 必ず同じ電位になる 0 -E この時点 13 /42

目次 抵抗器とコンデンサの基礎 コンデンサと交流信号 PN接合とトランジスタの原理 エミッタ接地回路の動作 エミッタフォロワ回路の動作 14 /42

コンデンサと交流信号 充放電が間に合わないほど速く変化する電圧を入力したら？ コンデンサの両端電圧≒0[V]のままになるはず 15 /42

コンデンサと交流信号 実験回路 1kHzのサイン波を コンデンサに入力 V(OUT,IN)は「INを基準としたOUTの電位」= C1の両端電圧 交流信号をほぼそのまま通過させることが分かる。 16 /42

直流電圧に交流電圧を重畳する 直流5[V]を、0[V]を中心に±4[V]で動くsin波に重畳する →OUTは5[V]を中心に±4[V]で動くsin波となる このようなコンデンサを「カップリング（結合）コンデンサ」と呼ぶ 17 /42

カップリングコンデンサの役目 バイアス電圧をカットし、入力端子に加えられた交流成分だけを 通過させる バイアス電圧=交流信号に重畳する直流電圧のこと  正負が入れ替わる交流を、正電圧だけで動くまでに押し上げる 常に正電圧 18 /42

目次 抵抗器とコンデンサの基礎 コンデンサと交流信号 PN接合とトランジスタの原理 エミッタ接地回路の動作 エミッタフォロワ回路の動作 19 /42

半導体超入門 アノード P N カソード PN接合型ダイオード 電気を一方向にだけ流す（P→N） P型半導体：真性半導体より自由電子少 = 正孔（ホール）多 N型半導体：真性半導体より自由電子多 20 /42

半導体超入門2/2 アノード + - P N + カソード アノード - + P + N - カソード - 順方向に電圧をかける→電気が流れる 逆方向に電圧をかける→電気は流れない 順方向には、0.6V程度の電圧を与えないと、電気が流れ始めない 0.6Vを超えて電圧を与えると、急に流れるようになる 21 /42

トランジスタ コレクタ 正式名称：バイポーラトランジスタ 3本の端子からなる半導体素子  ベース、エミッタ、コレクタ ベース ベース-エミッタ電流を、定数倍してコレ クタに流す エミッタ  数10倍～数100倍 ※現代のICに使われるのはMOSFET  MOS：金属酸化膜半導体  FET：電界効果トランジスタ https://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-06475/ 22 /42

• https://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-06475/

NPN型バイポーラトランジスタの構造 コレクタ N ベース • ダイオード2つが逆向きに接続 されたような構造 • ベース→エミッタに電流を流す と、 • ベース電流の定数倍がコレクタ →エミッタに流れる P N • 電流制御・電流出力の増幅器 • 「コレクタ(C)とエミッタ(E)をひっくり返し て逆接続しても“一応”トランジスタとして動 作できる」 エミッタ • https://detail-infomation.com/transistorreverse-connection/ 23 /42

• https://detail-infomation.com/transistor-reverse-connection/

トランジスタの動作原理 電流源I1の電流値を徐々に 増やしていったときの コレクタ電流の変化を見る 横軸は電流源I1の電流値 = ベース電流値 右側の縦軸はコレクタ電流値 コレクタ電流 ≒ 290×ベース電流 左側の縦軸はベース-エミッタ間電圧 24 /42

目次 抵抗器とコンデンサの基礎 コンデンサと交流信号 PN接合とトランジスタの原理 エミッタ接地回路の動作 エミッタフォロワ回路の動作 25 /42

5倍のアンプ（書籍 p.29） Vin Vout エミッタ接地増幅回路の例 Inに信号を入力し、 Outから信号を出力する 入力信号Vinは1Vp-pのsin波 出力信号Voutは5Vp-pのsin波 →電圧利得5倍の反転増幅回路 Vp-pのp-pは “Peek to peek” 信号上端と下端 の距離 26 /42

実際に測定してみた Ve Vin Vout 27 /42

エミッタ接地回路：ベース電圧 Vb Vin Vout ベースバイアス電圧（無信号時にベースにかかる電圧）はV2をR1、R2で分圧した電圧 ベースバイアス電圧 = 15[V]×R2/(R1+R2) ≒ 2.7[V] ベース電圧Vbは、2.7[V]に入力信号Vinを重畳したものとなる 28 /42

ベース-エミッタ間電圧とコレクタ電流 • ベース-エミッタ間電圧Vbeとは エミッタを基準としたときの ベース電圧 • Vbeを徐々に上げると、0.6[V] あたりから急にIcが増える • 増え方が対数グラフで直線 • 簡易な設計では、Vbe=0.7[V]な どと固定して計算すると楽 2SC1815 Datasheet, 2011, Unisoc Technologies Co., Ltd より引用 29 /42

エミッタ接地回路：直流的な電圧と電流 1mA 2.7V 5.0V 0.7V 2.0V 1mA • Ie=Ve/R4 =2[V]/2[kΩ] =1[mA] • Ie = Ic + Ib • Ic = 290×Ib • Ib≪Icなので無 視すると Ic≒Ie=1[mA] • Vc=V2-Ic×R3 =15[V]1[mA]×10[kΩ] =5[V] 30 /42

エミッタ接地回路：エミッタ電流 エミッタ電圧Veは2±0.5Vのsin波 R4の電流は1±0.25mAのsin波 …… (2±0.5V)/2kΩ=1±0.25mA Ie≒Icなので、R3の電流も1±0.25mAのsin波 31 /42

エミッタ接地回路：コレクタ電圧 Vc Ic Vout R3の電流は1±0.25mAのsin波 R3の電圧降下は10±2.5Vのsin波 …… (1±0.25mA)×10kΩ=10±2.5V コレクタ電圧Vcは、15VからR3の電圧降下を引いた値なので、 Icと位相が反転した5±2.5Vとなる 32 /42

エミッタ接地回路の出力抵抗は高い R5=100kΩ 出力に負荷抵抗R5を接続してみた 出力電圧はR5に大きく影響される =アンプの出力抵抗が高い R5=1kΩ 33 /42

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出力を増強する回路（書籍 p.67） エミッタ接地型増幅回路は出力インピーダンスが高い →負荷として接続する回路の影響を受けやすい  インピーダンス=交流における抵抗値 出力を強化する…出力インピーダンスを低くする工夫が必要 →エミッタ・フォロワ（Emitter Follower）  エミッタが入力信号に追従（follow）して動作する、という意味  エミッタ・フォロワ回路は出力インピーダンスが低い 35 /42

エミッタフォロワ Vinは8Vp-pのsin波 負荷抵抗は1kΩと低いのに、Vout≒Vinを保てている =回路の出力インピーダンスが低い 36 /42

エミッタ電流と電圧の関係 Vb Ie Ve ベースバイアス電圧は、V2をR1、R2で分圧した7.5V Vb = 7.5±4V Ve = Vb – 0.7V = 6.8±4V Ie = Ve/R3 = (6.8±4V)/680 = 10±5.9mA 37 /42

負荷抵抗が低すぎると出力がクリップ Voutの負側がクリップ 負荷抵抗を680Ωまで下げると、Voutの負側がクリップする 大体-3.4V付近でクリップしている 38 /42

等価回路で理由を説明 -3.4V 出力波形が負になったときの 等価回路 交流的な等価回路 • 無信号時のエミッタ電流 = 10mA →エミッタは、10mAを基準に見ると±10mAだけ流せる電流源 • 交流的にはコンデンサは短絡して考える →電流源に340Ω（REとRLの並列）が接続されているのと等価 39 /42

別の切り口で説明 C→Eの方向にしか電流は流れない Vbeは常に0.7V程度ある トランジスタは、Veの電位をつり上げる 方向でしか作用しない！  Veの電位を負にする力はない エミッタ電流=0の世界では、トランジス タの存在を無視できる 40 /42

エミッタ電流最小の世界 エミッタ電流が下限（交流的に-10mA） になったときの等価回路 3.4V 0 -3.4V Veの直流的な電圧 = Vb - 0.7V = 6.8V →コンデンサの両端電圧は6.8V どんなに頑張っても、Voutは-3.4Vまで しか下がらない Vin = ±4Vのとき、下側がクリップする 41 /42

出力波形クリップへの対処 無信号時の電流（アイドリング電流）をもっと大きくする  回路の動作効率が悪化する プッシュプル構成にする  問題は、トランジスタ1石では電位を引っ張り上げるしかできないこと  もう1石を追加し、GND側に引っ張れるようにする エミッタに定電流回路を接続する 42 /42