Type of transistor amplifier
図 1: 基本的な NPN 共通コレクタ回路 ( バイアスの 詳細は無視)。 電子工学 において 、 共通コレクタ 増幅器（ エミッタフォロワ とも呼ばれる）は、3 つの基本的なシングル ステージバイポーラ接合トランジスタ （BJT）増幅器 トポロジ の 1 つであり 、通常は 電圧バッファ として使用されます。
この 回路 では、トランジスタのベース 端子が 入力、エミッタが出力、コレクタ端子が両方に 共通 （例えば、 グランド基準 または 電源レール に接続）であるため、この名前が付けられています。これと類似の 電界効果トランジスタ 回路は コモンドレイン アンプであり、類似の 真空管 回路は カソードフォロワ です。
基本回路 図2: 負帰還増幅器 この回路は、トランジスタが負帰還 制御下にあると見なすことで説明できます 。この観点から、コレクタ接地段（図1）は、 完全な直列負帰還を備えた増幅器です。この構成（図2、β = 1）では、出力 電圧 V out 全体が 入力電圧 V inと逆 方向に直列に 配置されます。したがって、2つの電圧は キルヒホッフの電圧法則 （KVL）に従って減算され （機能ブロック図の減算器は入力ループによってのみ実装されます）、その差 V diff = V in − V out がベース・エミッタ接合に印加されます。トランジスタは V diff を 継続的に監視し、コレクタ電流をエミッタ抵抗 R E に流すことで、エミッタ電圧をV in から ほぼ一定の V BE （ ダイオードの順方向電圧降下 約1倍 ）を差し引いた値に調整します 。その結果、出力電圧は V BE から V + まで の入力 電圧 の変動 に追従します 。これが「エミッタフォロワ」と呼ばれる理由です。
この動作は、 V BE が バイアス 電圧の変化に対して非常に鈍感であること 、つまりベース電圧の変化が（ほぼ正確に）エミッタに直接伝達されることを直感的に理解することでも理解できます。トランジスタはこれらの外乱（トランジスタの 許容誤差 、 温度 変化、負荷抵抗、コレクタ抵抗（追加されている場合）など）に反応して平衡状態を回復するため、この動作は様々な外乱にわずかに依存します。入力電圧が正のレールに達しても、トランジスタが飽和することはありません。
共通コレクタ回路は数学的に 電圧利得 がほぼ 1 であることが示されます。
A v = v out v in ≈ 1. {\displaystyle A_{v}={\frac {v_{\text{out}}}{v_{\text{in}}}}\approx 1.} 図 3: エミッタ フォロワ回路の PNP バージョン。すべての極性が反転されています。 入力端子の小さな電圧変化は出力に反映されます（トランジスタのゲインと負荷抵抗の値に若干依存します。以下のゲインの式を参照してください）。この回路は入力 インピーダンスが大きいため便利です。
r in ≈ β 0 R E , {\displaystyle r_{\text{in}}\approx \beta _{0}R_{\text{E}},} 前の回路に負荷をかけず、出力インピーダンス が小さい
r out ≈ R E ∥ R source β 0 , {\displaystyle r_{\text{out}}\approx {\frac {R_{\text{E}}\parallel R_{\text{source}}}{\beta _{0}}},} 低抵抗 負荷を 駆動することができます。
通常、エミッタ抵抗はかなり大きいため、式から除外できます。
r out ≈ R source β 0 . {\displaystyle r_{\text{out}}\approx {\frac {R_{\text{source}}}{\beta _{0}}}.}
アプリケーション 図4:集積回路に適した 電流源 バイアスを備えたNPN電圧フォロワ コレクタ接地型アンプは出力インピーダンスが低いため、大きな 出力インピーダンス を持つ信号源から小さな 負荷インピーダンス を電圧変化なしに駆動することができます。そのため、この回路は電圧 バッファ として応用されています。言い換えれば、この回路は電圧利得ではなく電流利得（これはトランジスタの h FE に大きく依存します）を持っています。入力電流のわずかな変化は、出力負荷に供給される出力電流の大きな変化をもたらします。
バッファ動作の一つの側面は、インピーダンスの変換です。例えば、テブナン抵抗の高い電圧源で駆動される電圧フォロワの組み合わせでは、 テブナン抵抗 は電圧フォロワの出力抵抗（小さな抵抗）のみに低減されます。この抵抗低減により、この組み合わせはより理想的な電圧源となります。逆に、小さな負荷抵抗と駆動段の間に電圧フォロワを挿入すると、駆動段に大きな負荷がかかります。これは、電圧信号を小さな負荷に結合する際に有利です。
この構成は、 B級 アンプおよび AB級 アンプの出力段で一般的に用いられます 。ベース回路は、トランジスタをB級またはAB級モードで動作させるために改造されます。A 級モードでは、直線性や効率を向上させるために、 R E の代わりにアクティブ 電流源 が使用されることがあります （図4）。 [1]
特徴 低周波数で簡略化された ハイブリッドπモデル を使用すると、次の 小信号 特性が得られます。（パラメータ と 平行 線は 並列のコンポーネント を示します。） β = g m r π {\displaystyle \beta =g_{m}r_{\pi }}
意味 表現 近似表現 条件 電流ゲイン A i = i out i in {\displaystyle A_{\mathrm {i} }={i_{\text{out}} \over i_{\text{in}}}} β 0 + 1 {\displaystyle \beta _{0}+1\ } ≈ β 0 {\displaystyle \approx \beta _{0}} β 0 ≫ 1 {\displaystyle \beta _{0}\gg 1} 電圧利得 A v = v out v in {\displaystyle A_{\mathrm {v} }={v_{\text{out}} \over v_{\text{in}}}} g m R E g m R E + 1 {\displaystyle {g_{m}R_{\text{E}} \over g_{m}R_{\text{E}}+1}} ≈ 1 {\displaystyle \approx 1} g m R E ≫ 1 {\displaystyle g_{m}R_{\text{E}}\gg 1} 入力抵抗 r in = v in i in {\displaystyle r_{\text{in}}={\frac {v_{\text{in}}}{i_{\text{in}}}}} r π + ( β 0 + 1 ) R E {\displaystyle r_{\pi }+(\beta _{0}+1)R_{\text{E}}\ } ≈ β 0 R E {\displaystyle \approx \beta _{0}R_{\text{E}}} ( g m R E ≫ 1 ) ∧ ( β 0 ≫ 1 ) {\displaystyle (g_{m}R_{\text{E}}\gg 1)\wedge (\beta _{0}\gg 1)} 出力抵抗 r out = v out i out {\displaystyle r_{\text{out}}={\frac {v_{\text{out}}}{i_{\text{out}}}}} R E ∥ r π + R source β 0 + 1 {\displaystyle R_{\text{E}}\parallel {r_{\pi }+R_{\text{source}} \over \beta _{0}+1}} ≈ 1 g m + R source β 0 {\displaystyle \approx {1 \over g_{m}}+{R_{\text{source}} \over \beta _{0}}} ( β 0 ≫ 1 ) ∧ ( r in ≫ R source ) {\displaystyle (\beta _{0}\gg 1)\wedge (r_{\text{in}}\gg R_{\text{source}})}
テブナン 等価電源抵抗は どこに ありますか。 R source {\displaystyle R_{\text{source}}\ }
派生 図5: 図3に対応する小信号回路。バイポーラトランジスタのハイブリッドπモデルを用いて、バイポーラデバイスの容量を無視できるほど低い周波数で動作させたもの。 図6: 出力抵抗を測定するために出力にテスト電流を流すバイポーラ電圧フォロワの低周波小信号回路。抵抗器 。 R E = R L ∥ r o {\displaystyle R_{\text{E}}=R_{\text{L}}\parallel r_{\text{o}}} 図5は、図3の回路の低周波ハイブリッドπモデルを示しています。 オームの法則 を用いて様々な電流を求め、その結果を図に示しています。エミッタにキルヒホッフの電流法則を適用すると、次の式が得られます。
( β + 1 ) v in − v out R S + r π = v out ( 1 R L + 1 r o ) . {\displaystyle (\beta +1){\frac {v_{\text{in}}-v_{\text{out}}}{R_{\text{S}}+r_{\pi }}}=v_{\text{out}}\left({\frac {1}{R_{\text{L}}}}+{\frac {1}{r_{\text{o}}}}\right).} 次の抵抗値を定義します。
1 R E = 1 R L + 1 r o , R = R S + r π β + 1 . {\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {1}{R_{\text{E}}}}&={\frac {1}{R_{\text{L}}}}+{\frac {1}{r_{\text{o}}}},\\[2pt]R&={\frac {R_{\text{S}}+r_{\pi }}{\beta +1}}.\end{aligned}}} 次に項をまとめると電圧利得が求められます。
A v = v out v in = 1 1 + R R E . {\displaystyle A_{\text{v}}={\frac {v_{\text{out}}}{v_{\text{in}}}}={\frac {1}{1+{\frac {R}{R_{\text{E}}}}}}.} この結果から、分母の抵抗比が小さい場合、利得は（ バッファアンプ の場合に予想されるように）1に近づくことがわかります。この比は、電流利得βの値が大きくなるほど、また、の値が大きくなるほど小さくなります 。入力抵抗は次のように求められます
。 R E {\displaystyle R_{\text{E}}}
R in = v in i b = R S + r π 1 − A v = ( R S + r π ) ( 1 + R E R ) = R S + r π + ( β + 1 ) R E . {\displaystyle {\begin{aligned}R_{\text{in}}&={\frac {v_{\text{in}}}{i_{\text{b}}}}={\frac {R_{\text{S}}+r_{\pi }}{1-A_{\text{v}}}}\\&=\left(R_{\text{S}}+r_{\pi }\right)\left(1+{\frac {R_{\text{E}}}{R}}\right)\\&=R_{\text{S}}+r_{\pi }+(\beta +1)R_{\text{E}}.\end{aligned}}} トランジスタの出力抵抗は 通常、負荷に比べて大きい ため、 を支配します。この結果から、 大きな電流利得 の場合、 アンプの入力抵抗は出力負荷抵抗よりもはるかに大きくなります 。つまり、アンプを負荷と信号源の間に配置すると、 に直接結合する場合よりも信号源に大きな（高抵抗の）負荷がかかり、 電圧分割 の結果として 信号源インピーダンスにおける信号減衰が少なくなります 。 r O {\displaystyle r_{\text{O}}} R L {\displaystyle R_{\text{L}}} R L {\displaystyle R_{\text{L}}} R E {\displaystyle R_{\text{E}}} R L {\displaystyle R_{\text{L}}} β {\displaystyle \beta } R L {\displaystyle R_{\text{L}}} R S {\displaystyle R_{\text{S}}}
図6は、図5の小信号回路において、入力を短絡し、出力に試験電流を流した状態を示している。この回路を用いて出力抵抗を求めると、
R out = v x i x . {\displaystyle R_{\text{out}}={\frac {v_{\text{x}}}{i_{\text{x}}}}.} オームの法則を用いると、図に示すように様々な電流が求められます。ベース電流の項をまとめると、ベース電流は次のように求められます。
( β + 1 ) i b = i x − v x R E , {\displaystyle (\beta +1)i_{\text{b}}=i_{\text{x}}-{\frac {v_{\text{x}}}{R_{\text{E}}}},} ここで 、は上で定義されています。この値をベース電流として用いると、オームの法則は次のように表されます。 R E {\displaystyle R_{\text{E}}}
v x = i b ( R S + r π ) . {\displaystyle v_{\text{x}}=i_{\text{b}}\left(R_{\text{S}}+r_{\pi }\right).} ベース電流を代入し、項をまとめると、
R out = v x i x = R ∥ R E , {\displaystyle R_{\text{out}}={\frac {v_{\text{x}}}{i_{\text{x}}}}=R\parallel R_{\text{E}},} ここで、|| は並列接続を表し、 は上記で定義されています。 電流ゲインが 大きい場合、一般には抵抗が小さいため、 出力インピーダンスも小さくなります。出力インピーダンスが小さいということは、元の電圧源と電圧フォロワを直列に接続することで、出力ノードにおける テブナン抵抗が低いテブナン電圧源が 得られることを意味します。つまり、電圧源と電圧フォロワを組み合わせることで、元の電圧源よりも理想的な電圧源が得られます。 R {\displaystyle R} R {\displaystyle R} β {\displaystyle \beta } R {\displaystyle R}
参照
参考文献 ^ ロッド・エリオット: 20ワットクラスAパワーアンプ
外部リンク R Victor Jones: 基本的なBJTアンプ構成 NPNコモンコレクタアンプ — HyperPhysics セオドア・パヴリック：ECE 327：トランジスタの基礎；パート6：NPNエミッタフォロワ ダグ・ギングリッチ：共通コレクタ増幅器 アルバータ大学 レイモンド・フレイ ：オレゴン大学のラボ演習
![{\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {1}{R_{\text{E}}}}&={\frac {1}{R_{\text{L}}}}+{\frac {1}{r_{\text{o}}}},\\[2pt]R&={\frac {R_{\text{S}}+r_{\pi }}{\beta +1}}.\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/cea4338c241c319e0bfb19bae8e2232b9a31b6ef)
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