電流帰還バイアス回路について教えてください...

質問

以下のことについて教えてください...
エミッタ抵抗が小さくなったときの動作はどうなるのですか？
あと入力電圧と出力電圧の波形をオシロスコープで測ったところ、位相が反転する理由を教えてください。あと、入力を大きくするするとクリップされる理由も教えてください。
また、動作点を決める際にどのような点に注意しなければならないか教えてください。
たくさん聞いてすいませんが分かる方がいれば教えてください...

回答No.2

soramist · ベストアンサー

ちょっと厳しいことを言い過ぎたかな？と反省しています。
続けてご回答を入れましょう。

Q1.エミッタ抵抗が小さくなったときの動作はどうなるのですか？
A1.エミッタ接地型トランジスタ増幅器の利得Gは、
　　G=Rc/Reとなることが知られています。
つまり、「Reが小さくなると電圧増幅度が大きく」なります。
（エミッタ接地増幅回路３の下から24行目右端に式があります）
http://www2.tba.t-com.ne.jp/pcambi/analog/anlogmemo106.htm

ただしこれは(Rs+rπ）を無視した場合のことです。
一般にはhFE(=β）が十分大きいので、(Rs+rπ）を無視してよいのですが、極端にReが小さくなると、(Rs+rπ）が無視できなくなります。
つまり、「増幅度の増加には限界がある」ということです。

なお、ご質問の趣旨は「動作点がどうなるか？」ということでしょうか？
もしそうでしたら、後述の回答をお読みください。
（わたしが質問の趣旨をとり間違えているようでしたら、遠慮なく再質問してください）

Q2.入力電圧と出力電圧の波形をオシロスコープで測ったところ、位相が反転する理由を教えてください。
A2.オシロは各部の電圧を測っています。
したがって各部の電圧関係を考えればわかることです。

先ず、”入力電圧が増加”します。
そうするとベース電流が増加し、コレクタ電流も増加します。
コレクタ電流が増加すると”コレクタ電圧は下がります”ね？
つまり入力電圧と出力電圧の関係は逆になる（反転する）ということになります。
（もっと詳しく知りたければ次の解説を読んでください）

Q3.入力を大きくするするとクリップされる理由も教えてください。
Q4.動作点を決める際にどのような点に注意しなければならないですか？

これらはすべてトランジスタ動作特性図で説明できることですので、まとめてご説明しましょう。
「図トランジスタの静特性と負荷線」を見てください。
http://w3p.phys.chs.nihon-u.ac.jp/~takizawa/tex/tramp/node2.html

Q点が「動作基点」です。
点線は「直流負荷線」と呼ばれるものです。
信号が入ったときトランジスタの動作は、この負荷線上を行ったり来たりするものとお考えください。
動作基点は、、”バイアスを変えたりエミッタ抵抗を変えたり”して、なるべく負荷線の中央あたりに来るように設定します。

今ここで仮に入力信号(AC)が増加して、ベース電流が10→15μAに増加したとします。そうするとコレクタ電流はQ点の1mAから1.5mAくらいに増加します。
入力はAC信号ですので、次の瞬間5μAに落ちます。
そうするとコレクタ電流も0.5mAくらいに落ちます。

この間の動作については、こちらを見たほうがわかりやすいでしょう。
（図８）
（URLがものすごく長いので３つに分けて記載します。検索するときはつなぎ合わせて検索してください）
http://www.sci.himeji-tech.ac.jp/material/electro_phys/ueda/tra3.pdf#
search='%E3%83%88%E3%83%A9%E3%83%B3%E3%82%B8%E3%82%B9%
E3%82%BF%E5%9B%9E%E8%B7%AF%20%E9%9D%99%E7%89%B9%E6%80%A7'

図８を見れば、Q2の入力と出力が反転する理由もおわかりになるでしょう。
上記例では信号の振幅は5⇔15μA変わるものと仮定しました。（peak to peak)
もっと大きい振幅の入力が入ってきたらどうなるでしょう？
”増加”の方は15μAくらいで頭打ちです。
これ以上大きい信号が入ってきても、もはやコレクタ電流は増えません。
”減少”の方は、0μAまで行きますね？
このときコレクタ電圧は最大10V（電源電圧と同じ）になります。
つまり、直流負荷線で見る限り、Q点という動作基点の設定は適当でなく、も少し下(Ic=0.75mAくらい）に設定するのがベストということになります。
では、そういう動作基点を設定したとき、IB=7.5±7.5μA以上になるような入力信号が入ってきたらどうなるでしょう？

上側の方は、増加度に余裕がありますから、出力電圧は「徐々に谷が潰れた波形」が観測されます。
一方、下側の方では出力電圧はコレクタ電圧以上にはなり得ませんから、「波形がクリップ」してしまいます。
動作基点の調整は、入出力波形をオシロで観測しながら、「谷が潰れるようなら、バイアスを低めに」、「山がクリップするようならバイアスを高めに」調整します。

最後に大切なことを言って終わりにします。
上記はわかりやすいように「直流負荷線」によってご説明しました。
しかし実際には、負荷がかかってくるので、負荷線はコレクタに入れたコレクタ抵抗Rcと負荷抵抗RLが並列になってきます。
そうすると負荷線は実線のように立ってきます。
これが「交流負荷線」です。
オシロで観測するのはこの実線上の動きです。
実線上の動きであるなら、動作基点はQ点で間違いなく、最大出力が得られることがお分かりかと思います。

なお、疑問の点がありましたら、遠慮なく質問してください。

参考URL：

http://w3p.phys.chs.nihon-u.ac.jp/~takizawa/tex/tramp/node2.html

お礼

回答ありがとうございます。
質問なんですが、(Rs+rπ）とはなんと呼ばれるのですか？
バイアス抵抗のことなのですか？

回答No.4

candle2007

「ベース抵抗」と呼ばれるものです。
この資料の頭”今回は”から数えて９行目に、
　Vin/(Rs+rπ)： ベースへ入力される電流
という説明があります。
（オームの法則で解釈すれば間違いなく入力抵抗(=ベース抵抗)）
http://www2.tba.t-com.ne.jp/pcambi/analog/anlogmemo106.htm

資料によっては、これを[Rb]で置換えて「ベース抵抗」とはっきり定義しているものもあります。

蛇足ですが・・・
納得いかない回答に対してポイントを出す必要はありません。
ただ、納得行かない回答に対しては、どういうところが納得いかないのか、はっきり書く方が親切でしょう。
それによって、回答者も説明の仕方を工夫し、次からはもっと適切な回答が書けるようになるでしょう。

参考URL：

http://www2.tba.t-com.ne.jp/pcambi/analog/anlogmemo106.htm

回答No.3

soramist

りょーかいです。
たしかにそういうことはありますね。

回答者としてはできるだけ質問者さんのレベルに合った回答を書くべき、と日頃から思っているのですが、なにしろ見えない人と話をするわけですから、どういう説明の仕方が良いのか、といつも迷っています。

質問文で、さり気なく自分のレベルを相手に伝えることが必要ですね。
回答者は質問文を読みながら、相手のレベルを推察し、説明方法を考えているのです。
勿論、わからないところがあれば、どんどん質問することも大切です。

なお、今回の添付URLにある「動作特性曲線」は、トランジスタの動作を理解する上で大変重要なものですから、”石にかじりついてでも”理解してください。(^_^;)
わからないところがあれば、遠慮なく質問してください。

回答No.1

candle2007

１．エミッタ抵抗が小さくなったときの動作はどうなるのですか？
２．入力電圧と出力電圧の波形をオシロスコープで測ったところ、位相が反転する理由を教えてください。
３．入力を大きくするするとクリップされる理由も教えてください。
４．動作点を決める際にどのような点に注意しなければならないですか？

ここまで書いてきて、どこかで聞いた名前だな？と思い出しました。(^_^;)
前にも同じ形の質問をされましたね？
http://okwave.jp/qa3112849.html

わたしとしては、長い時間をかけてweb資料を探し回り（このサイトの回答に資料添付は不可欠です）、回答を書き込んだのですが、評価はいただけませんでした。

わたしとしてはどこから見ても、他の方に劣る回答とは思っていないのですが、どんなところがお気に入りませんでしたでしょうか？
ご回答次第によっては今後一切回答を入れないつもりです。
（ひょっとして(1)かなー・・・(1)は質問の意味がわかりませんでした。(-_-;)）

勿論、納得行くご説明があれば、回答するにやぶさかでありません。

お礼

すいません..前回はだれに評価を与えるか非常に悩みました...
もちろんcandle2007さんの回答は他の方に劣っていなかったと思います。いろんな資料も載せていただきましたし...
ですが私自身このような回路のことなどにあまり詳しくないものですからcandle2007さんの回答は少し難しかったんですm(_ _)m
ですから分かりやすかった方に評価を与えたんです。せっかく調べてきてもらったのにすいません..