第７章　トランジスタ回路

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基本性能

1947年12月23日に発明された最初のトランジスタ

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接地方式

一般の回路は必ず端子が対の形になっている。入力回路と出力回路の２つの回路に接続する場合は、合計４つの端子が存在することになり、エミッタ・ベース・コレクタの３極をもつトランジスタは、１極が共通極、それ以外が入力、出力となる。共通極は一般に接地（グランド）となるため、この電極名から、エミッタ接地、ベース接地、コレクタ接地と呼ばれる。最も一般的なのはエミッタ接地で、この場合はベースが入力、コレクタが出力となる。ベース接地ではエミッタが入力、コレクタ接地ではエミッタが出力となる。 C _C E E C B B B E エミッタ接地ベース接地コレクタ接地

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npn形を対象とした電流の流れ方

V_BEがない（I_B = 0）とCB間が逆電圧（逆バイアス）になって電流は流れず、コレクタ電流I_Cはゼロになる。V_BEが存在する（V_BE>0.6V）とBE間が順電圧と なり、ベースからエミッタにホールが移動し、エミッタからベースへ流れた電子の大部分は空乏層を横切ってコレクタまで進む。これがコレクタ電流となる。（電流は電子の流れと逆方向になる） C E B I_C I_B I_E = I_B + I_C V_BE V_CE I_E = I_B + I_C V_BE _V_CE C I_E B I_C I_B I_E = I_B + I_C E

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C B I_B E I_E I_C V_CB V_BE pnp形 V_BE V_CE n p p

電圧の加え方と電流の流れ方

EB間は順方向へ、CB間は逆方向になるように電圧を加える。ベース・エミッタ間が_{pn接合のpnp形は、トランジスタのエミッタ矢印方向に電流が流れる} ように電位を加える。この時、_{BC間は逆電位を加え、コレクタ電流はエミッタ} へ流れるように構成する。_{npn形は、電流の流れと電圧のかけ方がpnp形と} まったく逆になる。 C B I_B E I_C I_E V_BE V_CB npn形 V_BE V_CE p n n

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静特性

JEITA（社団法人電子情報技術産業協会）の規格ED-4001「個別半導体デバイスの形名」に基づいて、型名と規格がJEITAに登録されている。日本における半導体素子（ここでは_{3個の電極を持つもの）} の型番は、古いJISで以下のようにルール付けられている。 2SAxxx PNP型バイポーラトランジスタ高周波用 2SBxxx PNP型バイポーラトランジスタ低周波用 2SCxxx NPN型バイポーラトランジスタ高周波用 2SDxxx NPN型バイポーラトランジスタ低周波用 2SFxxx サイリスタ 2SHxxx ユニジャンクショントランジスタ 2SJxxx Pch 電界効果型トランジスタ 2SKxxx Nch 電界効果型トランジスタ小信号用バイポーラトランジスタの代表格 2SC1815

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測定回路

トランジスタを以下のように接続して各部分の電圧と電流を測定し、トランジスタの静特性を調べる。静特性は入力特性（I_BV_BE）、電流伝達特性（I_C I_B）、出力特性（I_CV_CE）の３種類を組み合わせて表現される。なお、 _{V と A はそれぞれ電圧と電流測定器を表している。} V_BB V_CC I_C I_B V_B A_B A_C V_C V_BE V_CE 入力特性（_V_BEI_B） V_CEを一定にした時のI_BとV_BEの関係電流伝達特性（I_CI_B） V_CEを固定した時の I_BとI_Cの関係出力特性（V_CEI_C）ベース電流_I_Bを固定した時の V_CEI_Cの関係

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入力特性、電流伝達特性

入力特性（V_BEI_B） V_BE がある値（約 0.6V）以上になるとI_B は大きく変化する。電流伝達特性（I_CI_B）特性はほぼ直線となり、直線範囲では比例関係（I_C = h_feI_B）が成立する。比例定数h_feをトランジスタ増幅率という。 V_CE = 5[V] V_CE = 5[V] 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 V_BE[V] I_B [mA] 70 60 50 40 30 20 10 0 I_C [mA] 0 0.2 0.4 0.6 I_B[mA] 入力特性電流伝達特性

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出力特性

出力特性（V_CEI_C） I_Bを変化させて同様の測定を繰り返すとこの結果を得る。I_CはI_B によって大きく変わり、V_CEにはあまり影響を受けない。一般にハンドブック等ではエミッタ接地の静特性が示されている。 I_B = 0.5[mA] 70 60 50 40 30 20 10 0 0 1 2 3 4 V_CE[V] I_C [mA] 出力特性 80 5 6 7 8 9 10 0.1 0.2 0.3 0.4

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バイアス回路

トランジスタへ入れる入力信号にどれくらいの電圧と電流を加えるかを決める回路のことをバイアス回路という。トランジスタの各端子には定格内の電位差と電流を設定しないと動作しない。そのため、入力信号をトランジスタが正常動作する電圧に「かさ上げ」（オフセット）し、電流も正常動作するレベルまで加えてやる必要がある。バイアスをかける方法は大きく分けて３つあり、それぞれ固定バイアス回路、自己バイアス回路、電流帰還バイアス回路という。

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バイアス回路の選定

入力部の電圧を静特性の入力特性（ベース電流I_Bとベースエミッタ間電圧V_BEの関係）を考慮して設定する。 ※I_BBや_I_CCは、トランジスタ1個のベース電流 I_Bやコレクタ電流_I_Cと区別するためで、ベース側電源電流、コレクタ側電源電流を指します。 i_bは_I_Bや_I_BBに対して小電流であることを示します。 V_BB VCC I_C = I_CC+ i_c I_B = I_BB + i_b ～ V_BE VCE v_b R 出力部の電圧・抵抗を静特性の出力特性の負荷線（コレクタ電流I_Cとコレクタ・エミッタ間電圧V_CE）を考慮して設定する。この回路では、入力電圧V_BEが出力電圧V_CE = V_CC  RI_Cに増幅されて出力される。 ※実際の出力は、I_C = h_feI_Bとコレクタ電流として増幅されるが、一般的に電流より電圧の方が扱いやすいので、負荷抵抗Rを入れる。

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トランジスタの入力特性と負荷直線

それぞれの特性をもとに、_I_Bが歪まないような_V_BEを選択して、その動作点を決める。また、出力波形が極力歪みのない対称波形となるように負荷線上の動作点を決める。 V_CE = 5[V] 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 V_BE[V] I_B [mA] 入力特性 IB = 0.5[mA] 70 60 50 40 30 20 10 0 0 1 2 3 4 V_CE[V] I_C [mA] 出力特性 80 5 6 7 8 9 10 0.1 0.2 0.3 0.4 負荷直線 t t t I_B i_b V_BE V_CE CC CE C V V I R   v_b V_CC

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入力特性（

I

_B

V

_BE

曲線）の拡大図

I_BV_BE曲線を対象とした電流電圧波形と動作点の関係図より、動作点電圧_V_BEを_{0.6V近傍の値にすると電流は} 片波の歪んだ波形となる。 0.6 V_BB 0.6+v_b V_BB+v_b V_BE i_b I_BB I_BB+i_b I_B

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負荷線と動特性

入力特性で動作点が定まると、そのベース電流の倍のコレクタ電流の流れる点が負荷線上の動作点となる。そのときのコレクタ・エミッタ間電圧を読みとれば_V_CEの動作点がわかる。そこで、入力で動作点を中心に信号電圧を加えれば、負荷線上でコレクタ電流の変化する範囲がわかり、その結果_V_CEの変化する幅が決まる。この_V_CEの幅が出力電圧となる。表現を変えると、静特性に負荷線を書き込むと、その回 I_B = 0.5[mA] 70 60 50 40 30 20 10 0 0 1 2 3 4 V_CE[V] I_C [mA] 80 5 6 7 8 9 10 0.1 0.2 0.3 0.4 負荷直線 CC CE C V V I R   路の動特性を示すことになる。例えば入力段で歪みを生じさせないように_I_B を_0.2mAとすると、負荷直線から動作点電圧_V_CEは_5.8Vになる。歪みのない対称出力波形は5.8±(105.8)V、すなわち_{1.6V～10.0Vの出力電圧となる。} このとき、負荷抵抗は_{10V / 33mA = 303Ω}になる。 V_CC

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実際の性能

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出力信号の取り出し方

トランジスタ回路ではベース電流の_h_fe倍のコレクタ電流が流れ、入力電圧変化はコレクタ電流の変化となる（一般に電流信号より電圧信号のほうが回路として取り扱いやすい）。一般の出力信号はコレクタの電流変化を負荷抵抗_R_Lの両端電圧変化として得る。なお、交流分だけを取り出すときはコンデンサ_C₀を接続して直流分を取り除く。 I_C R_L C E B V_CE VCC C₀ CE CC C L V  V  I R CC CE C L L V V I R R 



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固定バイアス回路

最も基本的なバイアス回路である。なので、バイアス電流を_I_Bとすると、抵抗_R_Bは、となる。 I_C I_B R_B I_C+I_B R_L C E B I_E VCC V_CE V_BE V_RB V_CC _V CC CC RB BE V  V  V RB B B V  I R CC B B BE V  I R  V CC BE B B V V R I  

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自己バイアス回路

電圧帰還がかかっているので、温度変化に対して安定して動作する。 R_Bの電圧降下を_V_RB、バイアス電流を_I_Bとすると、となり、抵抗_R_Bは、となる。変形すると、となる。 I_C I_B R_B R_L C E B I_E V_CC V_CE V_BE V_RB V_CE V_RE CE RB BE V  V V RB B B V  I R CE BE B B V V R I   CE BE B B V V I R   何らかの原因で_I_C_+I_Bが増加すると、_V_REの電圧降下が大きくなるので、V_CEが減少する。V_CEが減少することによりI_Bが減少し、I_Cが減少する。 I_C+I_B V_CC

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電流帰還バイアス回路

この回路はエミッタにも抵抗が接続される。動作点を決めるのは_V_BBである。 R_Eの電圧降下を_V_REとすると、となる。バイアス電圧は３つの抵抗値_R_A、_R_B、_R_Eで決まる。 I_C I_B R_L C E B I_E V_C V_RA V_RB V_RE R_B R_A V_BB V_RL I_C+I_R R_E I_A+I_B I_A VCE V_BE A BB CC A B R V V R R   BE BB RE V  V V ( ) RE E E E C B V I R R I I    I_C+I_B V_CC V_CC 何らかの原因で_I_Cが増加すると、_V_REの電圧降下が大きくなるので、V_BEが減少する。V_BEが減少することによりI_Bが減少し、I_Cが減少する。

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増幅動作解析

回路に_I_E、_I_B、_I_Cが流れているとき、 V_Bを_V_Bだけ増やすと、これにともなって_I_E、_I_Cも_I_E、_I_Cだけ変化する。一般のトランジスタでは、ベース内でホールと結合する電子の数が、移動する電子の_{0.2％～2％程度なので、} I_E、_I_B、_I_Cの関係は、となる。ここで、_I_C _/ _I_Bを求めると、となる。 I_B+I_B V_C I_C+I_C I_E+I_E V_B+V_B C B E E E B B C C I  I  I  I  I  I E B C I I I      0 002. 0 02. B E E I  I ～ I 0 998. 0 98. C E E I  I ～ I 49 499 C C B B I I I I     ～

第７章 トランジスタ回路