高等学校工業 電子回路/増幅回路の基礎

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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。