高等学校工業 電子回路/増幅回路の基礎

トランジスタやダイオードは、温度が高くなると、抵抗が下がり、さらに電流が流れやすくなる。そして、電流が流れやすくなると、その電流による熱により、さらに温度が上がる。すると、さらに抵抗が下がるので、どんどん電流が流れてしまい、どんどん温度が上がってしまい、ついには、破壊されてしまうという、熱暴走が起きる危険がある。

このような熱暴走を起こさないため、さまざまな回路が考えられている。

自己バイアス回路 編集

 
自己バイアス回路

自己バイアス回路は、つぎのような仕組みにより、熱暴走をふせいでいる。

1) 前提として、なんらかの理由で IC が増加したとする。
2) すると、RCIC が増加するので、 VCE=VCC-RCIC により、 VCEが減少する。
3) VCEが減少したことにより、IBも減る。
4) ベース電流IBが減ったことにより、コレクタ電流も減るので、IC が減る。

という仕組みで、熱暴走をふせぐ。

なお、この回路は「電圧帰還バイアス回路」(voltage feedback bias circuit)ともいう。


電流帰還バイアス回路 編集

 
ブリーダ電流バイアス回路
1) もしICが増加すると、REの両端の電圧 VREも増加する。
2) すると、VBEが減少するので(なぜなら VBE=VB-VREであり、後述するがVBは(ほぼ)一定なので。)、IBが減る。
3) IBが減れば、トランスジスタ出力側のICも減る。


こういう仕組みで、安定化する。

ほとんどの回路の場合、I1やI2に比べて、IBは微小である。

なので、実用上は、ほとんどの場合、

I1 ≒ I2

である。 おおよそI1が、IBの10倍以上なら、I1 ≒ I2と近似してよい。

このことから、電圧VEの大きさは、オームの法則により、ベース電圧が

 

というふうに簡単に求まる。

そして、ベース電圧VBが一定値であるという事実が、さきほどの式から分かる。

こうして、仕組みの説明(2)で、VBがほぼ一定と見なせる、と言ったことの根拠が、証明された。


この回路は、安定性は高いが、抵抗による消費電力が大きいのが欠点である。

交流信号の増幅 編集

 
バイパスコンデンサのある回路


増幅器は、入力信号のオン/オフの切り替えに、反応させやすい回路構造が、望ましい。

そして、スイッチなどを、オン/オフの切り替えをすると、電圧波形や電流波形は起伏ができるから、交流っぽい形になっていく。

ところで、コンデンサ素子は、交流電流を通す性質がある。なので、コンデンサは、交流信号を通す。

ならば、増幅器とコンデンサを組み合わせると、都合がいい。


交流信号を増幅するには、図のように、コンデンサを使えばいい。(※ 高校物理で習うように、)コンデンサは、交流電流を通す。

ただし、この回路図での交流電源の電圧の大きさは、直流電源の電圧 Vccよりも、小さめにしておく必要がある。直流電圧よりも交流電圧 viを小さめにしておけば、交流電圧の波形の谷のぶぶんの状態でも、 つねに

Vcc+vi>0

の状態になるので、 ベース電圧がつねにプラスなので、ベース電流を流しつづけられる。

図のように、REに並列に加えるコンデンサCEバイパスコンデンサ(by-pass capacitor)という。

CEは、REの電圧変化による、増幅度の低下を防ぐ目的である。

なお、C1は、交流電圧だけを通過させて、トランジスタのベースに渡すためのコンデンサである。

C2は、トランジスタ出力のうち、交流電圧の成分だけを通すためのコンデンサである。

入力インピーダンス(h_ie) 編集


トランジスタの静特性の第3象限のVBE - IB 特性を見てほしい。

 

上式のhieによって、そのトランジスタの入力インピーダンス(input impedance)を定義する。

ベースの交流電圧をibとして、ベースエミッタ間に印加される交流信号をvbeとすれば、

 

である。

また、この式を電圧についてまとめると、

 

である。

電圧増幅率 編集

トランジスタ回路の電圧増幅率 Av の定義は、入力電圧をviとして、出力電圧をvoとしたとき、

 

で定義される。

さきほどの節で導入した入力インピーダンスを使って入力電圧を書き換えることができる。

 

のことだから、つまり、

 

よって

 

である。

入力インピーダンスで書き換えた入力電圧の式を、電圧増幅率の定義式に代入すれば、

 

である。

 
図2.1  エミッタ接地増幅回路

右図2.1のような回路の場合、

 

よって、

 

と求まる。


なお電流増幅率 Aiは、定義式は

 

である。つまり

 

である。

電力増幅率 APは、定義式は

 

である。つまり

 

である。