トランジスタ - エミッタ接地回路・コレクタ接地回路・ベース接地回路

概要

ここでは、エミッタ接地回路、コレクタ接地回路、ベース接地回路の違いについて記載する。

また、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、コレクタ接地回路の特徴や原理、ベース接地回路の特徴や原理について記載する。

エミッタ接地回路、コレクタ接地回路、ベース接地回路の違い

エミッタ接地回路、コレクタ接地回路、ベース接地回路の違いは、トランジスタを使用した基本的な増幅回路において、
どの端子を接地するかによって回路構成を分類することができる。
下図に、エミッタ接地回路、コレクタ接地回路、ベース接地回路を示す。
各増幅回路の見分け方は以下のようになっている。

• エミッタ接地回路

  エミッタを接地している回路であり、ベースが入力でコレクタが出力となっている。

  
  

• コレクタ接地回路

  コレクタを接地している回路であり、ベースが入力でエミッタが出力となっている。

  コレクタ接地回路において、電圧源が交流的に変化しない電圧であれば、交流的には接地と考えることができる。

  そのため、交流的にはコレクタが接地しているということになる。

  
  

• ベース接地回路

  ベースを接地している回路であり、エミッタが入力でコレクタが出力となっている。

また、各増幅回路の特徴を以下に示す。

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
入力インピーダンス	低い	高い	低い
出力インピーダンス	高い(負荷抵抗と同じ値)	低い	高い(負荷抵抗と同じ値)
電圧利得	大きい	ほぼ1	大きい
電流利得	大きい	大きい	ほぼ1
電力利得	大きい	エミッタ接地回路より小さい	エミッタ接地回路より小さい
入出力の位相	逆相	同相	同相
周波数特性	良くない	エミッタ接地回路よりも良い	エミッタ接地回路よりも良い

エミッタ接地回路

エミッタ接地回路とは

エミッタ接地回路とは、トランジスタを使用した基本的な増幅回路の1つである。
入力と出力の共通端子がエミッタ端子であるため、エミッタ接地回路と呼ばれる。また、エミッタ接地回路は、エミッタ共通回路(Common Emitter)とも呼ばれている。

電圧と電流の両方を増幅可能で電力利得が大きいため、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である。

ベース端子に入力電圧V_INを印加することで、コレクタ端子から出力電圧V_OUTを取り出す回路となっている。

※補足
エミッタ接地回路は、FETにおけるソース接地回路のトランジスタ版である。

エミッタ接地回路の動作(直流成分のみ)

1. 入力電圧V_INがトランジスタのベース-エミッタ間のV_BE(約0.7[V])を超えると、トランジスタが動作する。
2. トランジスタが動作することにより、電源電圧V_CCからコレクタ抵抗RCにコレクタ電流I_Cが流れる。
3. 出力電圧V_OUTは、電源電圧V_CCからコレクタ抵抗R_Cの電圧降下($R_{C}\times I_{C}$)を引いた値($V_{CC}-R_{C}\times I_{C}$)となる。
   なお、コレクタ抵抗R_Cの両端電圧を出力とする場合は、出力電圧V_OUTは$R_{C}\times I_{C}$となる。

エミッタ接地回路の動作(直流成分+交流成分)

下図に、トランジスタと抵抗で構成されるエミッタ接地回路、トランジスタのI_B-V_BE特性、I_C-V_CE特性を示す。

ベース-エミッタ間にV_BE以上の電圧を印加すると、ベース電流が流れる。
そこで、ベース-エミッタ間に直流電圧V_BE0を印加して、ベース電流をある程度流しておく必要がある。この電圧をバイアス電圧という。

トランジスタのI_B-V_BE特性より、直流電圧V_BE0に交流電圧v_BEを加えるとベース電流は動作点I_B0を中心にi_B変化する。
トランジスタのとI_C-V_CE特性より、べース電流がi_B変化することで、コレクタ電流は動作点I_C0を中心にi_C変化する。
上図のオレンジ色の負荷線より、コレクタ電流がi_C変化することで、コレクタ-エミッタ間電圧は動作点V_CE0を中心にv_CE変化する。

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る。
「ベース-エミッタ間の電圧が大きくなる→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-エミッタ間の電圧が小さくなる」という動作になる。

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る。これを逆相と呼ぶ。

エミッタ接地回路の特徴

• 入力インピーダンスが低い

  トランジスタのI_B-V_BE特性より、トランジスタの入力電圧(ベース-エミッタ間の電圧V_BE)を大きくすると、入力電流(ベース電流I_B)が大きくなる。

  入力インピーダンスZ_INは、$Z_{IN}={\mbox{入 力 電 圧 の 変 化 入 力 電 流 の 変 化}}=\delta V_{BE}\delta I_{B}$となるため、

  入力インピーダンスZ_INは非常に小さくなる。

  
  

• 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、コレクタ抵抗R_Cと同じになる。

  出力インピーダンスZ_OUTがコレクタ抵抗R_Cと同じになる理由については、後半のセクションで記載する。

  
  

• 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を掛けた値となる。

  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十程度となっている。

  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となる。

  そのため、電流利得A_Iは、$A_{I}={\frac {i_{OUT}}{i_{IN}}}={\frac {i_{C}}{i_{B}}}=hfe$となる。

  
  

• 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る。

  そのため、コレクタ抵抗R_Cを大きくすればするほど、出力電圧が大きくなる。

  ただし、電源電圧V_CCより大きな振幅は取れない。

  
  

• 入力電圧V_INと出力電圧V_OUTは逆相

  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が増加して、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)が減少する。

  そのため、入力電圧と出力電圧の位相は180[度]反転する。

  
  

• 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できる。

  入力インピーダンスは小さいが、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)よりも多く使用される。

  
  

• 高周波領域で増幅度が下がる

  エミッタ接地回路は、ミラー効果により他の接地方式(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悪いため、高周波領域で増幅度が下がる。

  ミラー効果については、後半のセクションで記載する。

エミッタ接地回路のバイアス電圧の設計方法

下図に、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特性を示す。

エミッタ接地回路の設計は以下の順序で行う。

1. 負荷線を引く。
2. コレクタ-エミッタ間電圧V_CEの動作点V_CE0を求める。
3. ベース電流i_Bの動作点I_B0を求める。
4. ベース-エミッタ間電圧V_BEの動作点V_BE0を求める。

1. 負荷線を引く
トランジスタのベース端子に印加するバイアス電圧V_BE0を求めるために、トランジスタのI_C-V_CE特性に負荷線を引く必要がある。

まず、コレクタ-エミッタ間電圧V_CEが0[V]の時、コレクタ電流I_Cが何[A]になるかを求める。
コレクタ-エミッタ間電圧V_CEが0[V]の時、コレクタ抵抗R_Cには電源電圧V_CCが印加されるため、コレクタ-エミッタ間電圧V_CEが0[V]の時におけるコレクタ電流I_Cは、次式となる。
$I_{C}={\frac {V_{CC}}{R_{C}}}$ … (1)

次に、コレクタ電流I_Cが0[A]の時、コレクタ-エミッタ間電圧V_CEが何[V]になるのかを求める。
コレクタ電流I_Cが0[A]の時、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、次式となる。
$V_{CE}=V_{CC}$…(2)

この(1)と(2)の2点を結んだ直線が負荷線となる。
A点($0,{\frac {V_{CC}}{RC}}$)とB点($V_{CC},0$)より負荷線の傾きは、${\frac {0-{\frac {V_{CC}}{R_{C}}}}{V_{CC}-0}}=-{\frac {1}{R_{C}}}$となる。

切片は${\frac {V_{CC}}{R_{C}}}$なので、負荷線の式は以下の式となる。
$I_{C}=-{\frac {1}{R_{C}}}V_{CE}+{\frac {V_{CC}}{R_{C}}}$

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する。
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に設定する。

3. ベース電流i_Bの動作点I_B0を求める
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となる。
この動作点I_BOは、バイアス電流と呼ばれている。

4. ベース-エミッタ間電圧V_BEの動作点V_BE0を求める
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なる。
ここで、"2.コレクタエミッタ間電圧VCEの動作点VCE0を求める"において、コレクタ-エミッタ間電圧VCEの動作点VCE0を大きくし過ぎる、または、小さくし過ぎると、
コレクタ-エミッタ間電圧V_CEの波形が歪むため、動作点の設定には注意が必要となる。

例えば、動作点を大きくし過ぎると(右に寄せ過ぎると)、出力電圧(コレクタ-エミッタ間電圧V_CE)が電源電圧V_CCを超えてしまう。
その結果、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、波形に歪が生じる。(下図を参照)

※補足
負荷線は、負荷直線や負荷抵抗線とも呼ばれる。

実用上のエミッタ接地回路

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下図右のように使用する。

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(ブリーダ抵抗とも呼ばれる)である。
これは、ベース端子とグランド間の電圧を安定に保つ働きをする。
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カップリングコンデンサである。

エミッタ端子とGND間にエミッタ抵抗R_Eを接続する回路もあり、これを電流帰還バイアス回路と呼ぶ。(こちらのページを参照)

また、下図に、NPNトランジスタとPNPトランジスタで作成したエミッタ接地回路を示す。

エミッタ接地回路の出力インピーダンスがコレクタ抵抗RCの値と同じになる理由

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抵抗R_Cと同じになる理由がわかる。

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の特性のことである。
この特性を見ると、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がほぼ一定になる。
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る。

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、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ある。
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とコレクタ抵抗R_Cの並列接続となる。(電源電圧V_CCは交流的には接地とみなすため)

コレクタ抵抗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はコレクタ抵抗R_Cと等しくなる。
$Z_{OUT}=\lim _{R_{CE}\to \infty }{\frac {R_{C}R_{CE}}{R_{C}+R_{CE}}}=\lim _{R_{CE}\to \infty }{\frac {R_{C}}{{\frac {R_{C}}{R_{CE}}}+1}}=R_{C}$

エミッタ接地回路のミラー効果

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$(1+A_{V})$倍なる。
これは理解し難い内容なので、まず、ミラー効果を簡単に説明する。

静電容量Cのコンデンサに電荷Qを充電する簡単な回路を下図に示す。

• 上図左の回路

  片方の電極に電圧Vを印加して、もう片方の電極を接地している回路である。

  この回路に蓄積される電荷Qは、$Q=CV$となる。

  
  

• 上図中央の回路

  片方の電極にVの電圧を印加して、もう片方の電極に負電圧-Vを印加している回路である。

  この回路に蓄積される電荷Qは、$Q=C(V-(-V))=2CV$となる。

  見方を変えると、電圧Vで2Cの容量を充電しているともいえる。

  つまり、A点から見れば、コンデンサの容量が2倍になってみえるということになる。

  また、これは静電容量2Cのコンデンサの直列接続において、片方の電極に電圧Vを印加して、もう片方の電極に負電圧-Vを印加しているともいえる。

  
  

• 上図右の回路

  片方の電極に電圧Vを印加して、もう片方の電極に電圧AVVを印加している回路である。

  この回路に蓄積される電荷Qは、$Q=C(V-(-A_{V}V))=C(1+A_{V})V$となる。

  この回路も見方を変えると、電圧Vで$C(1+A_{V})$の容量を充電しているともいえる。

  つまり、A点から見れば、容量が$(1+A_{V})$倍になってみえるということになる。

  
  

  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$V_{CE}=-A_{V}V_{BE}$)となる。

  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、$Q=C_{BC}(V_{BE}-V_{CE})=C_{BC}(V_{BE}-(-A_{V}V_{BE}))=C_{BC}(1+A_{V})V_{BE}$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。

  
  

  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$f_{C}={\frac {1}{2\pi R_{B}C_{B}(1+A_{V})}}$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う。

  上式より電圧利得AV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る。