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

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 I_C が増加したとする。↓2)　すると、R_CI_C が増加するので、 V_CE＝VCC-R_CI_C により、 V_CEが減少する。↓3)　V_CEが減少したことにより、I_Bも減る。↓4)　ベース電流I_Bが減ったことにより、コレクタ電流も減るので、I_C 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

1)　もしI_Cが増加すると、R_Eの両端の電圧 V_REも増加する。↓2)　すると、V_BEが減少するので（なぜなら V_BE＝V_B-V_REであり、後述するがV_Bは（ほぼ）一定なので。）、I_Bが減る。↓3)　I_Bが減れば、トランスジスタ出力側のI_C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、I_B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、I_Bの10倍以上なら、I₁ ≒ I₂と近似してよい。

このことから、電圧V_Eの大きさは、オームの法則により、ベース電圧が${\displaystyle V_B=\frac{R_2}{R_1+R_2}{V}_{CC}}$

というふうに簡単に求まる。

そして、ベース電圧V_B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、V_B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

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 V_cc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 v_i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V_cc＋v_i＞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、R_Eに並列に加えるコンデンサC_Eをバイパスコンデンサ（by-pass capacitor）という。

C_Eは、R_E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）

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トランジスタの静特性の第3象限のV_BE – I_B 特性を見てほしい。${\displaystyle h_{ie}=\frac{\mathrm{\Delta }{V}_{BE}}{\mathrm{\Delta }{I}_B}}$

上式のh_ie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i_bとして、ベースエミッタ間に印加される交流信号をv_beとすれば、${\displaystyle h_{ie}=\frac{v_{BE}}{i_B}}$

である。

また、この式を電圧についてまとめると、${\displaystyle v_{BE}=h_{ie}{i}_B}$

である。

電圧増幅率

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、${\displaystyle A_v=\frac{v_o}{v_i}}$

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。${\displaystyle v_i=v_{BE}}$

のことだから、つまり、${\displaystyle v_i=v_{BE}=h_{ie}{i}_B}$

よって${\displaystyle v_i=h_{ie}{i}_B}$

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、${\displaystyle A_v=\frac{v_o}{h_{ie}{i}_B}}$

である。

右図2.1のような回路の場合、${\displaystyle A_v=\frac{v_o}{h_{ie}{i}_B}=\frac{R_L{h}_{fe}{i}_B}{h_{ie}{i}_B}=\frac{R_L{h}_{fe}}{h_{ie}}}$

よって、${\displaystyle A_v=\frac{R_L{h}_{fe}}{h_{ie}}}$

と求まる。

なお電流増幅率 A_iは、定義式は${\displaystyle A_i=\frac{i_c}{i_b}}$

である。つまり${\displaystyle A_i=\frac{i_c}{i_b}=h_{fe}}$

である。

電力増幅率 A_Pは、定義式は${\displaystyle A_P=\frac{P_o}{P_i}}$

である。つまり${\displaystyle A_P=\frac{V_{CE}}{V_{BE}}\frac{I_C}{I_B}=A_v{A}_i}$

である。