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/42
トランジスタ増幅回路
2021年7月24日
@uchan_nos
1
自己紹介
内田公太 @uchan_nos
サイボウズ・ラボ株式会社
教育用OS、言語処理系の研究開発
趣味1:自作OSコミュニティ「osdev-jp」の運営
「自作OSもくもく会」をたまに開催
趣味2:「uchanの電子工作ラボ」運営
電子回路のはんだ付けや計測の設備
私とお話ができる
https://uchan.net/lab/
/42
この発表の目的
「定本 トランジスタ回路の設計」を読み、
トランジスタを用いた増幅回路を解説
今更、単体のトランジスタ回路を勉強する
のはなぜ?
単体の動作を理解すると、ICを使った回路をよ
り良く設計できる
原理が理解できて面白い
アセンブラを学ぶと面白い、という感覚に似て
いる気がする 1991年12月20日発行
未だに絶版になってない!
3
/42
目次
抵抗器とコンデンサの基礎
コンデンサと交流信号
PN接合とトランジスタの原理
エミッタ接地回路の動作
エミッタフォロワ回路の動作
4
/42
抵抗器の動作
実験回路
500Hzの矩形波を入力
1kHzのサイン波を入力
(理想的な)抵抗器は
V=IRに忠実に従う
5
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抵抗器の動作
実験回路
500Hzの矩形波を入力
1kHzのサイン波を入力
(理想的な)抵抗器は
V=IRに忠実に従う
GND(グラウンド)
電位の基準
シミュレーション設定
.tran=過渡解析
5m=5ミリ秒
6
/42
コンデンサの動作
ほぼ
満充電状態
実験回路
コンデンサは信号が変化
したときだけ、伝える
(微分のようなもの)
7
/42
コンデンサの充電
+
+
+
+
-
-
-
-
C1
満充電状態
両端電圧がE[V]になるように
電荷が貯まっている
E[V]
とする
E[V]
8
/42
充電開始直後の電位の関係
0
GNDを基準とした電位
E 短絡されている部分は
必ず同じ電位になる
この時点
9
/42
満充電時の電位の関係
0
GNDを基準とした電位
E 短絡されている部分は
必ず同じ電位になる
この時点
10
/42
コンデンサの放電
+
+
+
+
-
-
-
-
C1
V1=0[V]にした直後は
C1の両端電圧はE[V]のまま
→Vout=-E[V]
※GNDを基準にした電位
一気に
0[V]
にする
E[V]
11
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放電開始直後の電位の関係
0
GNDを基準とした電位
E 短絡されている部分は
必ず同じ電位になる
-E
この時点
12
/42
放電中の電位の関係
0
GNDを基準とした電位
E 短絡されている部分は
必ず同じ電位になる
-E
この時点
13
/42
目次
抵抗器とコンデンサの基礎
コンデンサと交流信号
PN接合とトランジスタの原理
エミッタ接地回路の動作
エミッタフォロワ回路の動作
14
/42
コンデンサと交流信号
充放電が間に合わないほど速く変化する電圧を入力したら?
コンデンサの両端電圧≒0[V]のままになるはず
15
/42
コンデンサと交流信号
実験回路
V(OUT,IN)は「INを基準としたOUTの電位」= C1の両端電圧
交流信号をほぼそのまま通過させることが分かる。
1kHzのサイン波を
コンデンサに入力
16
/42
直流電圧に交流電圧を重畳する
直流5[V]を、0[V]を中心に±4[V]で動くsin波に重畳する
→OUTは5[V]を中心に±4[V]で動くsin波となる
このようなコンデンサを「カップリング(結合)コンデンサ」と呼ぶ
17
/42
カップリングコンデンサの役目
バイアス電圧をカットし、入力端子に加えられた交流成分だけを
通過させる
バイアス電圧=交流信号に重畳する直流電圧のこと
正負が入れ替わる交流を、正電圧だけで動くまでに押し上げる
常に正電圧
18
/42
目次
抵抗器とコンデンサの基礎
コンデンサと交流信号
PN接合とトランジスタの原理
エミッタ接地回路の動作
エミッタフォロワ回路の動作
19
/42
半導体超入門
PN接合型ダイオード
電気を一方向にだけ流す(P→N)
P型半導体:真性半導体より自由電子少 = 正孔(ホール)多
N型半導体:真性半導体より自由電子多
N
P カソード
アノード
20
/42
半導体超入門2/2
順方向に電圧をかける→電気が流れる
逆方向に電圧をかける→電気は流れない
順方向には、0.6V程度の電圧を与えないと、電気が流れ始めない
0.6Vを超えて電圧を与えると、急に流れるようになる
N
P
カソード
アノード +
+
-
-
N
P
カソード
アノード +
+
-
-
21
/42
トランジスタ
正式名称:バイポーラトランジスタ
3本の端子からなる半導体素子
ベース、エミッタ、コレクタ
ベース-エミッタ電流を、定数倍してコレ
クタに流す
数10倍~数100倍
※現代のICに使われるのはMOSFET
MOS:金属酸化膜半導体
FET:電界効果トランジスタ
ベース
エミッタ
コレクタ
https://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-06475/ 22
/42
NPN型バイポーラトランジスタの構造
N
P
N
ベース
エミッタ
コレクタ
• ダイオード2つが逆向きに接続
されたような構造
• ベース→エミッタに電流を流す
と、
• ベース電流の定数倍がコレクタ
→エミッタに流れる
• 電流制御・電流出力の増幅器
• 「コレクタ(C)とエミッタ(E)をひっくり返し
て逆接続しても“一応”トランジスタとして動
作できる」
• https://detail-infomation.com/transistor-
reverse-connection/
23
/42
トランジスタの動作原理
横軸は電流源I1の電流値 = ベース電流値
右側の縦軸はコレクタ電流値
コレクタ電流 ≒ 290×ベース電流
左側の縦軸はベース-エミッタ間電圧
電流源I1の電流値を徐々に
増やしていったときの
コレクタ電流の変化を見る
24
/42
目次
抵抗器とコンデンサの基礎
コンデンサと交流信号
PN接合とトランジスタの原理
エミッタ接地回路の動作
エミッタフォロワ回路の動作
25
/42
5倍のアンプ(書籍 p.29)
Vin
Vout
入力信号Vinは1Vp-pのsin波
出力信号Voutは5Vp-pのsin波
→電圧利得5倍の反転増幅回路
エミッタ接地増幅回路の例
Inに信号を入力し、
Outから信号を出力する
Vp-pのp-pは
“Peek to peek”
信号上端と下端
の距離
26
/42
実際に測定してみた
Vin
Vout
Ve
27
/42
エミッタ接地回路:ベース電圧
Vin
Vout
ベースバイアス電圧(無信号時にベースにかかる電圧)はV2をR1、R2で分圧した電圧
ベースバイアス電圧 = 15[V]×R2/(R1+R2) ≒ 2.7[V]
ベース電圧Vbは、2.7[V]に入力信号Vinを重畳したものとなる
Vb
28
/42
ベース-エミッタ間電圧とコレクタ電流
2SC1815 Datasheet, 2011, Unisoc Technologies Co., Ltd
より引用
• ベース-エミッタ間電圧Vbeとは
エミッタを基準としたときの
ベース電圧
• Vbeを徐々に上げると、0.6[V]
あたりから急にIcが増える
• 増え方が対数グラフで直線
• 簡易な設計では、Vbe=0.7[V]な
どと固定して計算すると楽
29
/42
エミッタ接地回路:直流的な電圧と電流
2.0V
2.7V
0.7V
1mA
1mA • Ie=Ve/R4
=2[V]/2[kΩ]
=1[mA]
• Ie = Ic + Ib
• Ic = 290×Ib
• Ib≪Icなので無
視すると
Ic≒Ie=1[mA]
• Vc=V2-Ic×R3
=15[V]-
1[mA]×10[kΩ]
=5[V]
5.0V
30
/42
エミッタ接地回路:エミッタ電流
エミッタ電圧Veは2±0.5Vのsin波
R4の電流は1±0.25mAのsin波 …… (2±0.5V)/2kΩ=1±0.25mA
Ie≒Icなので、R3の電流も1±0.25mAのsin波
31
/42
エミッタ接地回路:コレクタ電圧
R3の電流は1±0.25mAのsin波
R3の電圧降下は10±2.5Vのsin波 …… (1±0.25mA)×10kΩ=10±2.5V
コレクタ電圧Vcは、15VからR3の電圧降下を引いた値なので、
Icと位相が反転した5±2.5Vとなる
Ic
Vout
Vc
32
/42
エミッタ接地回路の出力抵抗は高い
出力に負荷抵抗R5を接続してみた
出力電圧はR5に大きく影響される
=アンプの出力抵抗が高い
R5=100kΩ
R5=1kΩ
33
/42
目次
抵抗器とコンデンサの基礎
コンデンサと交流信号
PN接合とトランジスタの原理
エミッタ接地回路の動作
エミッタフォロワ回路の動作
34
/42
出力を増強する回路(書籍 p.67)
エミッタ接地型増幅回路は出力インピーダンスが高い
→負荷として接続する回路の影響を受けやすい
インピーダンス=交流における抵抗値
出力を強化する…出力インピーダンスを低くする工夫が必要
→エミッタ・フォロワ(Emitter Follower)
エミッタが入力信号に追従(follow)して動作する、という意味
エミッタ・フォロワ回路は出力インピーダンスが低い
35
/42
エミッタフォロワ
Vinは8Vp-pのsin波
負荷抵抗は1kΩと低いのに、Vout≒Vinを保てている
=回路の出力インピーダンスが低い
36
/42
エミッタ電流と電圧の関係
ベースバイアス電圧は、V2をR1、R2で分圧した7.5V
Vb = 7.5±4V
Ve = Vb – 0.7V = 6.8±4V
Ie = Ve/R3 = (6.8±4V)/680 = 10±5.9mA
Vb
Ve
Ie
37
/42
負荷抵抗が低すぎると出力がクリップ
Voutの負側がクリップ
負荷抵抗を680Ωまで下げると、Voutの負側がクリップする
大体-3.4V付近でクリップしている
38
/42
等価回路で理由を説明
• 無信号時のエミッタ電流 = 10mA
→エミッタは、10mAを基準に見ると±10mAだけ流せる電流源
• 交流的にはコンデンサは短絡して考える
→電流源に340Ω(REとRLの並列)が接続されているのと等価
出力波形が負になったときの
等価回路
交流的な等価回路
-3.4V
39
/42
別の切り口で説明
C→Eの方向にしか電流は流れない
Vbeは常に0.7V程度ある
トランジスタは、Veの電位をつり上げる
方向でしか作用しない!
Veの電位を負にする力はない
エミッタ電流=0の世界では、トランジス
タの存在を無視できる
40
/42
エミッタ電流最小の世界
エミッタ電流が下限(交流的に-10mA)
になったときの等価回路
0
3.4V
-3.4V
Veの直流的な電圧 = Vb - 0.7V = 6.8V
→コンデンサの両端電圧は6.8V
どんなに頑張っても、Voutは-3.4Vまで
しか下がらない
Vin = ±4Vのとき、下側がクリップする
41
/42
出力波形クリップへの対処
無信号時の電流(アイドリング電流)をもっと大きくする
回路の動作効率が悪化する
プッシュプル構成にする
問題は、トランジスタ1石では電位を引っ張り上げるしかできないこと
もう1石を追加し、GND側に引っ張れるようにする
エミッタに定電流回路を接続する
42

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