エミッタ接地回路の『特徴』や『原理』について

この記事ではバイポーラトランジスタを使用した増幅回路であるエミッタ接地回路の特徴や原理について説明します。

エミッタ接地回路とは

エミッタ接地回路はバイポーラトランジスタを使用した基本的な増幅回路の1つです。電圧と電流の両方を増幅可能で電力利得が大きいため、エミッタ接地回路は基本的な増幅回路(エミッタ接地回路、コレクタ接地回路、ベース接地回路)の中で最も主要な回路となっています。

入力と出力の共通端子がエミッタであるため、エミッタ接地回路と呼ばれています。ベースに入力電圧V_INを印加することで、コレクタから出力電圧V_OUTを取り出す回路となっています。

エミッタ接地回路はエミッタ共通回路(Common Emitter)とも呼ばれています。

エミッタ接地回路の動作(直流成分のみ)

エミッタ接地回路の動作(直流成分+交流成分)

上図にバイポーラトランジスタと抵抗で構成されるエミッタ接地回路とバイポーラトランジスタのI_B-V_BE特性とI_C-V_CE特性を示します。

これが直流成分+交流成分を考慮した時におけるエミッタ接地回路の動作となっています。「ベースエミッタ間電圧が増える→ベース電流が増える→コレクタ電流が増える→電圧降下が増える→コレクタエミッタ間電圧が減る」という動作になっています。すなわち、エミッタ接地回路は入力と出力の変化が逆になります。これを逆相と呼んでいます。

この記事の後半に負荷線の引き方等を解説しています。

PNPトランジスタを使用した場合のエミッタ接地回路

エミッタ接地回路はNPNトランジスタでもPNPトランジスタでも作成することができます。上図に回路図を示します。

エミッタ接地回路を実際に使用する時の回路

今までの回路図は原理を示すために用いられる図であり、実際の回路で使用する際には上図の右のように使用します。

抵抗R₁とR₂は電源電圧V_CCを分圧して、ベースに入力するためのバイアス抵抗です。ベースとグランド間の電圧を安定に保つ働きをします。抵抗R₁とR₂はブリーダ抵抗とも呼ばれています。入力電圧V_INと出力電圧V_OUTに接続されているコンデンサは直流成分をカットするためのコンデンサです。

エミッタとGND間にエミッタ抵抗R_Eを接続する回路もありますが、これは電流帰還バイアス回路と呼ばれる回路になります(また別の記事で説明します)。

エミッタ接地回路の特徴

• 入力インピーダンスが低い

バイポーラトランジスタのI_B-V_BE特性より、バイポーラトランジスタの入力電圧(ベースエミッタ間電圧V_BE)を大きくすると、入力電流(ベース電流I_B)がかなり大きくなります。入力インピーダンスZ_INは
\begin{eqnarray}
Z_{IN}=\frac{入力電圧の変化}{入力電流の変化}=\frac{{\Delta}V_{BE}}{{\Delta}I_{B}}
\end{eqnarray}
となるため、入力インピーダンスZ_INは非常に低くなります。

• 出力インピーダンスが高い(コレクタ負荷抵抗R_Cと同じ)

エミッタ接地回路の出力インピーダンスZ_OUTはコレクタ負荷抵抗R_Cと同じになります。出力インピーダンスZ_OUTがコレクタ負荷抵抗R_Cと同じになる理由については少し長くなりますので、この記事の後半で説明しています。

• 電流利得が高い

コレクタ電流i_Cはベース電流i_Bに対して、電流増幅率h_feを掛けた値となります。電流増幅率h_feの大きなトランジスタでは1000程度であり、構造上、電流増幅率h_feを大きくすることができないパワートランジスタでは数10程度となっています。エミッタ接地回路では入力電流i_INはベース電流i_Bであり、出力電流i_OUTはコレクタ電流i_Cとなります。そのため、電流利得A_Iは
\begin{eqnarray}
A_I=\frac{i_{OUT}}{i_{IN}}=\frac{i_{C}}{i_{B}}=h_{fe}
\end{eqnarray}
となります。

• 電圧利得が高い

エミッタ接地回路において、出力電圧の振幅はコレクタ負荷抵抗R_Cの電圧降下と等しくなります。そのため、コレクタ負荷抵抗R_Cを大きくすればするほど、出力電圧が大きくなります。但し、電源電圧V_CCより大きな振幅は取れません。

• 入力電圧V_INと出力電圧V_OUTは逆相

バイポーラトランジスタの入力電圧(ベースエミッタ間電圧V_BE)が増加すると、ベース電流I_Bが増加し、コレクタ電流I_Cが増加するため、出力電圧(コレクタエミッタ間電圧V_CE)が減少します。そのため、入力電圧と出力電圧の位相は180°反転します。

• 電力利得が高い

電力利得A_Pは電圧利得A_V×電流利得A_Iなので、エミッタ接地回路では大きな電力増幅が可能です。入力インピーダンスが低いため少し使いにくい回路ですが、この電力利得が大きいため他の接地方式(コレクタ接地回路とベース接地回路)よりも多く使われます。

• 高周波領域で増幅度が下がる

エミッタ接地回路はミラー効果によって他の接地方式(コレクタ接地回路とベース接地回路)よりも周波数特性が良くありません。高周波領域で増幅度が下がります。ミラー効果についてはこの記事の後半に説明しています。

エミッタ接地回路のバイアス電圧の設計方法

上図にバイポーラトランジスタと抵抗で構成されるエミッタ接地回路とバイポーラの静特性であるI_B-V_BE特性とI_C-V_CE特性を示します。

エミッタ接地回路の設計は以下の順序で行います。

1.負荷線を引く

バイポーラトランジスタのベースに印加するバイアス電圧V_BE0を求めるために、バイポーラトランジスタの「I_C-V_CE特性」に負荷線を引く必要があります。まず、負荷線の引き方について説明します。

コレクタエミッタ間電圧V_CEが0Vの時にコレクタ電流I_Cが何Aになるかを求めます。コレクタエミッタ間電圧V_CEが0Vの時は、コレクタ負荷抵抗R_Cには電源電圧V_CCが印加されます。そのため、コレクタエミッタ間電圧V_CEが0Vの時におけるコレクタ電流I_Cは
\begin{eqnarray}
I_C=\frac{V_{CC}}{R_C}
\end{eqnarray}
となります。

次に、コレクタ電流I_Cが0Aの時にコレクタエミッタ間電圧V_CEが何Vになるのかを求めます。コレクタ電流I_Cが0Aの時は、コレクタエミッタ間電圧V_CEは電源電圧V_CCと等しくなるため、
\begin{eqnarray}
V_{CE}=V_{CC}
\end{eqnarray}
となります。
この2点を結んだ直線が負荷線となります。A点(\(0\),\(\displaystyle\frac{V_{CC}}{R_C}\))とB点(\(V_{CC}\),\(0\))より負荷線の傾きは
\begin{eqnarray}
\frac{0-\displaystyle\frac{V_{CC}}{R_C}}{V_{CC}-0}=-\frac{1}{R_C}
\end{eqnarray}
となります。切片は\(\displaystyle\frac{V_{CC}}{R_C}\)なので、負荷線の式は以下の式となります。
\begin{eqnarray}
I_C=-\frac{1}{R_C}V_{CE}+\frac{V_{CC}}{R_C}
\end{eqnarray}

2.コレクタエミッタ間電圧V_CEの動作点V_CE0を求める

コレクタエミッタ間電圧V_CEの振幅が大きく取れるよう動作点を設定します。エミッタ接地回路では、コレクタエミッタ間電圧V_CEの動作点は電源電圧V_CCと0Vの真ん中付近V_CE0に設定します。

3.ベース電流i_Bの動作点I_B0を求める

バイポーラトランジスタの「I_C-V_CE特性」と負荷線において、コレクタエミッタ間電圧V_CEが動作点V_CE0の時におけるベース電流I_Bが動作点I_B0となります。この動作点I_BOはバイアス電流と呼ばれています。

4.ベースエミッタ間電圧V_BEの動作点V_BE0を求める

バイポーラトランジスタの「I_B-V_BE特性」において、ベース電流I_Bが動作点I_B0の時におけるベースエミッタ間電圧V_BEが動作点V_BE0なります。

ここで、「2.コレクタエミッタ間電圧V_CEの動作点V_CE0を求める」においてコレクタエミッタ間電圧V_CEの動作点V_CE0を大きくしすぎたり、小さくしすぎてしまうと、コレクタエミッタ間電圧V_CEの波形が歪んでしまいます。そのため、動作点の設定には注意が必要となります。例えば、動作点を大きくしすぎると(右に寄せすぎると)、出力電圧(コレクタエミッタ間電圧V_CE)が電源電圧V_CCを超えてしまいます。出力電圧(コレクタエミッタ間電圧V_CE)は電源電圧V_CCを超えることができないので、波形の上側が切れてしまい、波形に歪が生じます。

エミッタ接地回路のミラー効果とは？

エミッタ接地回路では、電圧利得をA_Vとすると、ベースコレクタ間の容量C_BCが(1+A_V)倍なってみえます。

少し理解しにくい内容なので、まずミラー効果のイメージを説明します。容量Cのコンデンサに電荷Qを充電する簡単な回路を3つ上図に示します。

1番左の回路

片方の電極にVの電圧を印加し、もう片方の電極を接地している回路です。この回路に蓄積される電荷Qは
\begin{eqnarray}
Q=CV
\end{eqnarray}
となります。

真ん中の回路

片方の電極にVの電圧を印加し、もう片方の電極に－Vの電圧を印加している回路です。この回路に蓄積される電荷Qは
\begin{eqnarray}
Q=C×(V-(-V))=2CV
\end{eqnarray}
となります。

見方を変えると、Vの電圧で2Cの容量を充電しているとも見えます。つまり、A点から見れば、コンデンサの容量が2倍になって見えるということになります。また、これは容量2Cのコンデンサの直列接続において、片方の電極にVを印加し、もう片方の電極に－Vの電圧を印加しているとも言えます。

右の回路

片方の電極にVの電圧を印加し、もう片方の電極に－A_VVの電圧を印加している回路です。この回路に蓄積される電荷Qは
\begin{eqnarray}
Q=C×(V-(-A_VV))=C(1+A_V)V
\end{eqnarray}
となります。

これも見方を変えると、Vの電圧でC(1+A_V)の容量を充電しているとも見えます。つまり、A点から見れば、容量が(1+A_V)倍になって見えるということになります。

エミッタ接地回路では入力電圧(ベースエミッタ間電圧V_BE)に-A_Vを掛けた値が出力電圧(コレクタエミッタ間電圧V_CE=-A_VV_BE)となります。そのため、ベースコレクタ間の容量C_BCに蓄積される電荷Qは
式で表すと、
\begin{eqnarray}
Q=C_{BC}×(V_{BE}-V_{CE})= C_{BC}×(V_{BE}-(-A_VV_{BE}))=C_{BC}(1+A_V)V_{BE}
\end{eqnarray}
となり、ベース側から見れば、ベースコレクタ間の容量C_BCが(1+A_V)倍なって見えるのです。

このミラー効果による容量C_BC(1+A_V)とベース抵抗R_Bがカットオフ周波数
\begin{eqnarray}
f_C＝\frac{1}{2{\pi}R_BC_B(1+A_V)}
\end{eqnarray}
のローパスフィルタ(LPF)を構成するため、高周波成分の増幅度が下がってしまいます。上式より電圧利得A_Vが大きければ大きいほど、カットオフ周波数が低くなることが分かります。

エミッタ接地回路の出力インピーダンスがコレクタ負荷抵抗R_Cと同じになる理由

バイポーラトランジスタのI_C-V_CE特性を用いると、エミッタ接地回路の出力インピーダンスがコレクタ負荷抵抗R_Cと同じになる理由が分かります。

バイポーラトランジスタのI_C-V_CE特性とは、あるベース電流I_Bの時におけるバイポーラトランジスタのコレクタ電流I_Cとコレクタエミッタ間電圧V_CEの特性です。コレクタエミッタ間電圧V_CEがある値以上になると、コレクタ電流I_Cがほぼ一定になります。つまり、コレクタ電流I_Cはコレクタエミッタ間電圧V_CEの影響を受けなくなります。

コレクタエミッタ間電圧V_CEが変化しているにも関わらず、コレクタ電流I_Cが変化しないということは、言い換えると、コレクタエミッタ間の抵抗R_CEが高抵抗であるということです。

ここで、エミッタ接地回路を出力側から見ると、出力インピーダンスZ_OUTはコレクタエミッタ間の抵抗R_CEとコレクタ負荷抵抗R_Cの並列接続となります(電源電圧V_CCは交流的には接地とみなすため)。

コレクタ負荷抵抗R_Cは一定の値であり、コレクタエミッタ間の抵抗R_CEは高抵抗(理想的には無限大)なので無視すると、出力インピーダンスZ_OUTはコレクタ負荷抵抗R_Cと等しくなります。

まとめ

この記事では『エミッタ接地回路』について、以下の内容を説明しました。

お読み頂きありがとうございました。

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