コレクタ接地回路(エミッタフォロワ)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コレクタ接地回路(エミッタフォロワ)の特徴や原理について説明します。

コレクタ接地回路(エミッタフォロワ)とは

コレク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。コレクタ接地回路(エミッタフォロワ)の回路図と入出力波形を上図に示しています。ベース(B)が入力、エミッタ(E)が出力となります。

出力電圧V_OUTは
\begin{eqnarray}
V_{OUT}=V_{IN}−V_{BE}
\end{eqnarray}
となっています(理想的にはV_OUT=V_IN)。つまり、出力電圧V_OUTが入力電圧V_INを追従するように動作する回路となっており、その特徴からエミッタフォロワ(エミッタ(出力)がフォロー(入力を追いかける))とも呼ばれています(エミッタフォロアとも呼ばれています)。英語では『Emitter Follower』と書きます。

また、コレクタ接地回路はコレクタ共通回路(Common Collector)、電圧フォロワ回路(Voltage Follower)とも呼ばれています。

補足

エミッタ接地回路はMOSFETのドレイン接地回路(ソースフォロワ回路)のバイポーラトランジスタverとなっています。
入力と出力の共通端子がコレクタであるため、コレクタ接地回路と呼ばれています。入力電圧V_INと出力電圧V_OUTに直接接続されていないのがコレクタなので、これが入出力共通端子となります。

PNPトランジスタを使用した場合のコレクタ接地回路(エミッタフォロワ)

コレクタ接地回路(エミッタフォロワ)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。

コレクタ接地回路(コレクタフォロワ)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。

コレクタ端子は電源V_CCに接続されていますが、交流的には接地されています(そのため、コレクタ接地回路と呼ばれています)。交流等価回路上では直流電圧源は短絡と見なせますから、まさにコレクタが接地しているというわけです。

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。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。

コレクタ接地回路(エミッタフォロワ)の特徴

入力インピーダンスが高い

入力インピーダンスが高い理由については、説明が少し長くなるため、この記事の後半に説明しています。

出力インピーダンスが低い

出力インピーダンスが低い理由については、説明が少し長くなるため、この記事の後半に説明しています。

電流利得が高い

電流利得A_Iはエミッタ接地回路と同じになります。直流電流増幅率をh_FEとすると電流利得A_Iは
\begin{eqnarray}
A_{I}=1+h_{FE}
\end{eqnarray}
となります。

電圧利得はほぼ1

厳密には電圧利得は1より多少小さくなります。

電力利得はエミッタ接地回路より小さい

エミッタ接地回路では、電圧増幅度が1より大きくなるため、電力利得はエミッタ接地よりは小さくなります。

入力電圧V_INと出力電圧V_OUTは同相

コレクタ接地回路は入力電圧が上昇すると、エミッタ電流が増加し、抵抗R_E両端の電圧が上昇するため、入力電圧V_INと出力電圧V_OUTは同相となります。

周波数特性はエミッタ接地特性より良い

エミッタフォロワの周波数特性は広帯域となります。ベース(B)からエミッタ(E)を見ると、同位相で同じ振幅で電圧が変化するため、ベース(B)からエミッタ(E)の寄生容量が存在していても、見かけ上容量がゼロであるように見えます。また、ベース(B)とコレクタ(C)間の容量C_BCは、コレクタが交流的に接地されているため、エミッタ接地回路のような容量が何倍にもなって見えるミラー効果が起こりません。しがたって、周波数特性はエミッタ接地回路より良くなります。

コレクタ接地回路(エミッタフォロワ)の使用用途

入力インピーダンスが高く、出力インピーダンスが小さいため、出力インピーダンスの大きい信号源が低インピーダンスの負荷を駆動できるようになります。

したがって、低インピーダンスのスピーカーを駆動するオーディオアンプなどの増幅回路の出力段にコレクタ接地回路は良く使われます。

エミッタ接地回路は、出力インピーダンスが高いが電圧利得があります。そのため、エミッタ接地回路で電圧利得を稼ぎ、コレクタ接地回路で出力インピーダンスを低くする2段構成は良く使われます。

コレクタ接地回路(エミッタフォロワ)の入力インピーダンスが高くなる理由

入力インピーダンスZ_INはベース電圧がΔV_B変化した時におけるベース電流の変化ΔI_Bの比であり、以下の式で表されます。
\begin{eqnarray}
Z_{IN}=\frac{ΔV_B}{ΔI_B}
\end{eqnarray}
ここで、コレクタ接地回路において、ベース電圧がΔV_B大きくなった時を考えてみましょう。

ベース電圧がΔV_B大きくなると、ベース電流が変化しようとします。しかし、ベース電流が変化した瞬間、ベース電流の変化の数100倍((h_FE＋1)I_B)の電流がエミッタに流れるためエミッタの電圧が増加します。

すなわち、ベース電圧をΔV_B大きくしたらエミッタ電圧がほぼΔV_B大きくなり、ベース電流が増えないように作用するのです。そのため、ΔV_Bが大きく、ΔI_Bが小さいため、コレクタ接地回路では入力インピーダンスZ_INは高くなります。

コレクタ接地回路(エミッタフォロワ)の出力インピーダンスが低くなる理由

出力インピーダンスZ_OUTはエミッタ電圧がΔV_E変化した時におけるエミッタ電流の変化ΔI_Eの比であり、以下の式で表されます。
\begin{eqnarray}
Z_{OUT}=\frac{ΔV_E}{ΔI_E}
\end{eqnarray}
ここで、コレクタ接地回路において、エミッタ電圧がΔV_E大きくなった時を考えてみましょう。

エミッタ電圧がΔV_E大きくなると、ベースエミッタ間電圧V_BEが下がるため、ベース電流I_Bが小さくなります。その結果、エミッタ電流I_Eが小さくなり、エミッタ電圧V_Eが小さくなるように作用します。

すなわち、ΔI_Eに変化によって、ΔV_Eの変化は小さくなるように作用するのです。そのため、ΔI_Eが大きく、ΔV_Eが小さいため、コレクタ接地回路では出力インピーダンスZ_OUTは低くなります。