エミッタ接地増幅回路 トランジスタ バイパスコンデンサ

質問

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%A2%97%E5%B9%85%E5%9B%9E%E8%B7%AFのエミッタ接地・電流帰還バイアス回路とその回路のCeに直列に抵抗を接続した回路の動作の違いを教えていただきたいです。

回答No.2

inara · ベストアンサー

参考資料 [1] にあるようなエミッタ接地増幅回路で、Ce と直列に抵抗を接続すると、下図のように、高い周波数（ Ce がないとみなせる周波数 ）での利得を制限することができます。

　　　　　　　　┌────┬─　Vcc（電源電圧）
　　　　　　　　│　　　　　 Rc
　　　　　　　　R1　　　　　 ├──　Vout
　　　　　　　　│　　　　　　C
　　　　Vin ─┼──　B　　　← トランジスタ
　　　　　　　　│　　　　　　E
　　　　　　　　R2　　　　　 ├──┐
　　　　　　　　│　　　　　 │　　 Ce
　　　　　　　　┷　　　　　　Re　　│　　
　　　　　　　GND　　　　　│　　　R
　　　　　　　　　　　　　　　┷　　　┷
　　　　　　↑
　　　　利 │　　　　　　　　　　　　　　Rc/Re*( 1 + Re/R )　
　　　　得 │　　　　　　　 ／￣￣￣
　　　　　　│　　　　 　 ／
　 Rc/Re｜＿＿＿／ │
　　　　　　｜　　　　　　 fc
　　　　　　│
　　　　　　└─────────→
　　　　　　　　　　　　周波数

　【図１　Ce に直列に抵抗 R を接続したエミッタ接地増幅回路とその利得-周波数特性】

【図１の回路の周波数特性】
図１の回路で、バイアス抵抗の R1 と R2 はトランジスタの入力インピーダンスより十分大きいとして、これらがないものとして無視します。また、参考資料 [1] に書かれている Cin と Cout も十分大きいとして無視します（ Cin と Cout は抵抗ゼロとみなします）。すると、この増幅回路を、トランジスタの h パラメータを使って表わせば、図２のようになります（ 資料 [2] にあるように、トランジスタの等価回路は簡略化して います）。回路の入力電圧を Vin、出力電圧を Vout とします（そうすると回路の利得は Vout/Vin となります）。

　　　　　　　　　 B　　　　C
　　　　Vin ──┐　　　┌────┬── Vout
　　　　　　　　　 │　　　│　　　　　 │
　　　　　　　　　hie　　　↓hfe*ib　　Rc　↑hfe*ib
　　　　　　　ib↓│　　　│　　　　　 │
　　　　　　　　　 └──┤E　　　 　 ┷
　　　　　　　　　　　　　　│← Ve
　　　　　　　　　　　　 　 ├──┐
( 1 + hfe )*ib - i1 ↓ │　　　Ce
　　　　　　　　　　　　　　Re　　 │　↓i1
　　　　　　　　　　　　　　│　　 R
　　　　　　　　　　　　　　┷　　 ┷

ベース電流を ib とすれば、コレクタ電流は、これに電流増幅率 hfe をかけた hfe*ib になります（等価回路にはその電流値の電流源が示されています）。したがってエミッタ電流は、ベース電流とコレクタ電流の和 ( 1 + hfe )*ib となります。このエミッタ電流のうち、i1 の電流が Ce 側に流れとすれば、Re側に流れる電流は ( 1 + hfe )*ib - i1 となります（それらを足し合わせばエミッタ電流 ( 1 + hfe )*ib になります）。エミッタ電圧を Ve とすれば、ベース電流 ib は
　　　ib = ( Vin - Ve )/hie --- (1)
で表されます（ hie はベース抵抗）。一方、このエミッタ電圧 Ve は、 Re の両端で電圧であり、それと同時に、 Ce と R の両端で電圧に等しいですから、
　　　Ve = { R + 1/( j*ω*Ce ) }*i1 = { ( 1 + hfe )*ib - i1 }*Re --- (2)
となります。式(2)から、i1 と ib の関係は次のようになります。
　　　i1 = ( 1 + hfe )*Re*ib/{ Re + R + 1/( j*ω*Ce ) }
これを式 (2) の第２項 に代入すれば
　　　Ve = { R + 1/( j*ω*Ce ) }*i1 = ( 1 + hfe )*( 1 + j*ω*Ce*r )*Re*ib/{ 1 + j*ω*Ce*( Re + R ) } --- (3)
となりますから、この式 (3) を式 (1) に代入して、ib の式に書き直せば
　　　ib = Vin/[ hie + ( 1 + hfe )*( 1 + j*ω*Ce*R )/{ 1 + j*ω*Ce*( Re + R ) } ]
という式になります。したがって、出力電圧 Vout は
　　　Vout = -hfe*ib*Rc = -Rc*Vin/ [ hie/hfe + ( 1+ 1/hfe )*( 1 + j*ω*Ce*R )/{ 1 + j*ω*Ce*( Re + R ) }
ですから、回路全体の利得 Vout/Vin は
　　　Vout/Vin = -Rc*{ 1 + j*ω*Ce*( Re + R ) }/[ hie/hfe*{ 1 + j*ω*Ce*( Re + R ) } + ( 1 + 1/hfe )*( 1 + j*ω*Ce*R )*Re ] --- (4)
で表されます（マイナスがついていつのは、出力と入力の位相が反転するため）。

【低周波利得】
直流を含めた低周波での利得は、式 (4) で ω = 0 とした場合で
　　　Vout/Vin = -Rc/{ hie/hfe + ( 1 + 1/hfe )*Re }
となります。hfe（エミッタ接地での電流増幅率）が十分大きければ、hie/hfe = 0 1/hfe =0 とみなせますから
　　　Vout/Vin = -Rc/Re
となります。これが図１での低周波利得です。Ce に直列に抵抗 R を入れないときの利得は、hfe が十分大きければ、この値になります（トランジスタ回路のテキストに出ているエミッタ接地回路の利得はこれです）。

【高周波利得】
1/{ j*ω*Ce*( Re + R ) } がゼロとみなせるような高い周波数（ f >> fc = 1/{ 2*π*Ce*( Re + R ) } )　では、式 (4) は
　　　Vout/Vin = -Rc/{ hie/hfe + ( 1 + 1/hfe )*Re*R/( Re + R ) } --- (5)
となります。hfeが十分大きければ、hie/hfe = 0 1/hfe =0 とみなせますから
　　　Vout/Vin = -Rc/{ Re*R/( Re + R ) } = -Rc/Re*( 1 + Re/R ) --- (6)
となります。これが図１で、fc << f のときの利得です。 1 + Re/R > 1 ですから、この周波数帯域での利得は、低周波帯域より 1 + Re/R 倍大きくなります。R がゼロのとき、式 (6) の利得は無限大になってしまいますが、式 (6) は hfe = ∞ とした場合なので、現実にはそうなりません。hfe = ∞ としていない式 (5) で R = 0 とすれば、
　　　Vout/Vin = -hfe*Rc/hie
ですので、hfe が有限（通常100程度）なら、利得 Vout/Vin も有限になります。

【参考資料】
[1]　エミッタ接地増幅回路　http://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%94%BB%E5%83%8F:Common_emitter.png
[2]　エミッタ接地トランジスタの簡略化した等価回路（ ppt ファイル 9ページ ）　http://home.sato-gallery.com/education/Electronics2003/EL031219OHP.ppt

お礼

細かい説明ありがとうございます。
助かりました。

回答No.1

noname#47050

Ceが何のために付いてるか判りますか？エミッタの接地のためです。バイアス電流はReを通しますが、高周波電流をReに流してしまうと接地～エミッタ間に（高周波の）電位差が発生しエミッタ「接地」になりません。そこで容量の大きなCeを接続し高周波は全部Ceを流れるようにするのです。すると接地～エミッタ間の高周波電圧は低くなります。

そのようにせっかくCeによりエミッタを接地させているのに、Ceに直列に抵抗なんか入れたら高周波電流は当然抵抗を通ります。電流×抵抗による電圧が発生しますのでエミッタは接地から離れていき、増幅率は下がります。また、抵抗に電流を流すと熱損失が発生しますので、さらに増幅率は下がります。

さらにずう～っと抵抗値を大きくすると高周波電流はReにも流れ始めます。そりゃあそうでしょう、Ceのインピーダンスが小さかったからCeを流れてたのに、抵抗が付いて電流が流れにくくなりReの方がマシってことになったらReを流れるのは当然です。そうなるとエミッタに正しくかかっていたバイアス電圧が、高周波電流により一定値にならずふらつきます。つまり高周波の周波数で上下するのです。まともなバイアス電圧になりません。これも負帰還となり増幅率は下がります。

定性的な説明ですが。。。

お礼

ありがとうございました。