【無料配信♪】Renta !全タテコミ作品第1話

固定バイアス回路については安定度が悪いという特徴が記載されているのですが、なぜ悪いのでしょうか。悪いという説明はどのようにしてすればよいのでしょうか。
また、自己バイアス回路について出力信号の位相が入力信号から180°反転するとの記載があるのですが、なぜ(どのようにして)反転するのでしょうか。また、この反転は自己バイアス回路だけでなく、固定バイアス回路でも同様に反転するのでしょか。

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バイアス とは」に関するQ&A: バイアスとは

A 回答 (2件)

トランジスタの増幅回路での質問として回答します。



トランジスタなど増幅素子は温度係数があり、環境や自己発熱で温度が変化します。
この変化で動作点や増幅度が変化するのを前提とします。

1.単純な固定バイアス回路に対して、自己バイアス回路は負帰還が掛かり動作点が補正されます。--よって固定バイアス回路は安定度が悪いとされています。・・・・

2.だだし、自己バイアス回路は安定度に対して十分ではなく、回路の応用性に制限が伴い固定バイアス回路に下記の処置で安定度と応用性を拡大しています。

2.1エミッタとグランド間に抵抗入れて、自己バイアス回路を形成し負帰還を掛けています。---こちらが一般的で固定バイアス回路と組み合わせます。

2.2コレクタとべース間にバイアス用抵抗を入れる負帰還は動作範囲が狭いので応用性が低いです。

3.入力信号から180°反転するとのは、トランジスタなど増幅素子の常で自己バイアス回路だけでなく、固定バイアス回路でも同様に反転します。

3.1入力信号の電流変化がコレクター電流の変化になりますので、出力電圧は電圧降下変化なので入力信号から180°反転となります。
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この回答へのお礼

順序だてた説明ありがとうございます。
整理しやすくなっていました。
こだわりすぎかと思いますが、
最後の180度反転について、なぜ?どのような回路がどのように働いて・・・というか、どういう原理で反転しているのか、反転させられているのでしょうか。

お礼日時:2008/01/04 17:20

念のため、固定バイアス回路は電源とベース間にバイアス用抵抗が入っている回路、自己バイアス回路とは、コレクタとべース間にバイアス用抵抗が入っている回路とします。


トランジスタが温度変化をすると基本的な特性が変化します。特にコレクタ遮断電流の変化が問題です。その変化が増幅回路にそのまま影響すると、安定性が悪いということになります。
固定バイアス回路はそのことに対して何の対策もされていないので安定性が良くないとされます。
一方、ベース入力電圧が増えるとコレクタ電圧は下がることから、自己バイアス回路は負帰還(negative feed back)作用があります。質問文の「反転する」というのは「負帰還する」つまりベースの入力電圧と方向が反対(位相差180度)の信号がベースに加わるということです。負帰還が働くと増幅回路は当然安定するので(この理由をここで再質問しないで下さい。ネガティブフィードバックの常識なので)、自己バイアス回路の方が安定性が高いと言うわけです。
なお蛇足ですが、固定バイアス回路でも、もしエミッタとグランド間に抵抗(と大容量コンデンサを並列に)入れると、この抵抗によって負帰還が掛かるので安定度は向上します。普通はこの回路の方が一般的だと思います。
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この回答へのお礼

詳しいご説明ありがとうございます。再度図書を見直したいと思います。
なお、質問の「自己バイアス回路について出力信号の位相が入力信号から180°反転する」とはご回答のとおり負帰還とのことですが、
なぜ、この回路の出力信号が反転してでてくるのか・・・この回路のどの部分で反転する信号を生み出しているのかという疑問でした。
理論的な部分にこだわりすぎかもしれませんが・・・
この回路で結果として反転した信号が出てくると言えばそれまでなのでしょうが。
もうしわけございません。

お礼日時:2008/01/03 17:37

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Q固定バイアスと自己バイアスについて

NPN型のバイポーラトランジスタを使って固定バイアスのエミッタ接地増幅回路と
自己バイアスのエミッタ接地増幅回路を設計して、それぞれ入力信号の電圧を
大きくしていくと固定バイアス、自己バイアスともに出力波形が歪むのですが、
歪みが発生する電圧が固定バイアスの時よりも自己バイアスの時のほうが
高いのには何か理由があるのでしょうか?

Aベストアンサー

あ、ちょっと追加です。前の回答は忘れてください

「ひずみが発生する電圧」の、電圧は
出力電圧ではなく、入力電圧ですね?

(NO.1の方の回答は、出力側で答えています)

答えは、
バイアス抵抗で負帰還が掛かるため、利得が低下して
出力が飽和しにくくなるから です。

でも、このレポートの題材は正しくありません。
こういう回路は無歪の最大出力で出力が評価されるからです。
利得が足りなければ回路を足せばよいのですが、
どうやっても出力には上限があるので
こちら(無歪み出力)で回路について表現するのが普通です。
最大入力で評価する事は滅多に無いですね。
入力にアッテネーターを入れてしまえば見かけ上の性能が
上がってしまうわけですから

それに、固定バイアスだからと言って、
負帰還を掛けないとも限りません。
(リニアな高周波回路の出力段は、ダイオードで電圧を安定化させた
 固定バイアスを使いますが、同時に負帰還も掛けているのが普通です)

Qエミッタ接地増幅回路について教えてください><

教えていただきたいことは2つあります。
(1)エミッタ接地増幅回路はなぜ入出力波形の位相が反転するのでしょうか。
(2)エミッタ接地増幅回路はなぜ入力電圧が大きくなったとき出力波形が歪んでしまうのでしょうか。

1つでもわかる方がいらっしゃいましたらどうか回答よろしくお願いします。

Aベストアンサー

参考URLのトランジスター(エミッタ接地)増幅回路について
Ic-Vce特性と負荷線の図を見てください。
参考URL:
ttp://www.kairo-nyumon.com/analog_load.html

(1)
バイアス電圧を調整して図4の動作点(橙色の点)をVbe特性の中心に設定してやり、その動作点を中心に入力電圧Vbeを変化させてやるとVceとIcが負荷線上で変化して動きます。入力電圧Vbeが増加すると出力電圧Vceが減少し、入力電圧Vbeが減少すると出力電圧Vceが増加します。つまり出力電圧波形の位相は入力電圧の位相が逆になります。つまり、入出力波形の位相が反転することになります。

(2)
入力電圧Vbeが大きくなったとき出力波形が歪んでしまうのは、動作点が負荷線の線形動作範囲の上限に近づくとそれ以上Vceが頭打ちになって、出力電圧波形が飽和してしまいます。言い換えればコレクタ電圧Vceは接地電圧と直流電源電圧Vccの範囲でしか変化できません。その出力電圧波形は入力電圧Vbeが負荷線上の線形増幅範囲だけです。線形増幅範囲を超えるような大振幅の入力Vbeを入力すると出力電圧の波形が飽和して波形の上下が歪んだ(潰れた)波形になります。

お分かりになりましたでしょうか?

参考URL:http://www.kairo-nyumon.com/analog_load.html

参考URLのトランジスター(エミッタ接地)増幅回路について
Ic-Vce特性と負荷線の図を見てください。
参考URL:
ttp://www.kairo-nyumon.com/analog_load.html

(1)
バイアス電圧を調整して図4の動作点(橙色の点)をVbe特性の中心に設定してやり、その動作点を中心に入力電圧Vbeを変化させてやるとVceとIcが負荷線上で変化して動きます。入力電圧Vbeが増加すると出力電圧Vceが減少し、入力電圧Vbeが減少すると出力電圧Vceが増加します。つまり出力電圧波形の位相は入力電圧の位相が逆になります。つまり、入出力波...続きを読む

Qトランジスタの温度上昇によるIcの増加

自己バイアス回路は温度が上昇するとIcが増加するのを抑制するというのがあるのですが、何故温度が上昇するとIcが増加するのでしょうか?
本やインターネットで検索してみたのですが、Icの中のコレクタ遮断電流が増加するからIcが増えると書いてあるだけで何故そのコレクタ遮断電流が増えるのかが書かれてませんでした><
わかる人いたらお願いしますm(_ _)m

Aベストアンサー

温度が上昇すると Ic が増えるのは、主に以下の2つの原因によるものです。
  (1) 温度上昇によってベース電圧 Vb が低下 → ベース電流 Ib が増加 → Ic が増加
  (2) コレクタ遮断電流 Ico が増加 → ベース電流 Ib が増加 → Ic が増加
ANo.1さんのように半導体自身の電気抵抗も温度上昇によって低下しますが、トランジスタは通常、活性領域で動作しているので、コレクタ-エミッタ間は非常に高抵抗( ∂Vce/∂Ic が大きい)になっています。つまりコレクタ-エミッタ間は、半導体でできた単なる抵抗素子ではなく、電圧を変えても流れる電流がほとんど変化しない定電流動作をしています。もちろんコレクタ-エミッタ間の等価的な抵抗(定電流源の内部抵抗)は温度上昇によって小さくなりますが、それよりも、温度上昇によってベース-エミッタ間に流れる電流が増加し、それに伴ってコレクタ電流 Ic が増加する割合のほうがはるかに大きいです。

固定バイアスでのトランジスタ回路は以下のような等価回路で表わされます。

                           Vcc(電源電圧)
         ┌────────────┤
         │                  Rc
         Rb         ← Ico     │
         │        ┌──────┤ Vc(コレクタ電圧)
      Vb │  Ib →   ▲ ダイオード1  │
(ベース電圧)└─────┤         ○ 電流源(内部抵抗大)
            Ib + Ico↓ ▼ ダイオード2  │↓ Ic = β*( Ib + Ico )
                  └──────┤
                             │
                            Ve(エミッタ電圧) = 0V

ベース-コレクタ間のダイオード1は逆バイアス(Vb < Vc )になっているので、ここにはほとんど電流は流れませんが、飽和電流と呼ばれるリーク電流 Ico がわずかに流れています。Ico は温度が上昇すると大きくなります。一方、ベース-エミッタ間のダイオード2は順バイアス(Vb > Ve )になっていますが、ここを流れる電流は、ベース電圧 Vb で決まる電流(順バイアスされたダイオードの電圧-電流特性に従う)だけでなく、コレクタからベースに漏れてきたリーク電流 Ico を加えたもの( Ib + Ico ) になります。温度が上昇するとベース-エミッタ間の電圧が低下するので、ベース電圧 Vb が低下します。ベース電流 Ib は抵抗 Rb に流れる電流に等しいので、Vb が低下するとベース電流 Ib = ( Vcc - Vb )/Rb が増加します。

つまり、温度が上昇すると、Ib も Ico も増加するので、ダイオード2に流れる電流 Ib + Ico は増加します。コレクタ電流 Ic はダイオード2に流れる電流をβ倍(βは電流増幅率)したものなので、最終的に Ic が増加することになります。温度上昇によって Ic が増加するという現象は、固定バイアス回路だけでなく他のバイアス回路でも起こりますが、固定バイアス回路では、温度変化に対する Ic の変化が他に方式よりも大きいという特徴があります。

ご質問の主旨は「なぜコレクタ遮断電流が増えるのか」ということだと思いますが、大雑把に言うと、半導体の中に、自由に動くことができる電子や正孔が増えてくるため(ANo.1さんの説明に近い現象)ですが、ちゃんと理解するには半導体物理の知識が必要です。Ib の温度変化も半導体物理で説明できますが、そのような説明をお望みですか?

温度が上昇すると Ic が増えるのは、主に以下の2つの原因によるものです。
  (1) 温度上昇によってベース電圧 Vb が低下 → ベース電流 Ib が増加 → Ic が増加
  (2) コレクタ遮断電流 Ico が増加 → ベース電流 Ib が増加 → Ic が増加
ANo.1さんのように半導体自身の電気抵抗も温度上昇によって低下しますが、トランジスタは通常、活性領域で動作しているので、コレクタ-エミッタ間は非常に高抵抗( ∂Vce/∂Ic が大きい)になっています。つまりコレクタ-エミッタ間は、半導体でできた単な...続きを読む

Q計算値と理論値の誤差について

交流回路の実験をする前に、ある回路のインピーダンスZ(理論値)を計算で求めたあと、実験をしたあとの測定値を利用して、同じ所のインピーダンスZ(計算値)を求めると理論値と計算値の間で誤差が生じました。
そこでふと思ったのですが、なぜ理論値と計算値の間で誤差が生じるのでしょうか?また、その誤差を無くすことはできるのでしょうか? できるのなら、その方法を教えてください。
あと、その誤差が原因で何か困る事はあるのでしょうか?
教えてください。

Aベストアンサー

LCRのカタログ値に内部損失や許容誤差がありますが、この誤差は
1.Rの抵抗値は±5%、±10%、±20% があり、高精度は±1%、±2%もあります。
2.Cの容量誤差は±20% 、+50%・ー20% などがあり
3.Lもインダクタンス誤差は±20%で、
3.C・Rは理想的なC・Rでは無く、CにL分、Lに抵抗分の損失に繋がる成分があります。
これらの損失に繋がる成分は、試験周波数が高くなると、周波数依存で増大します。
また、周囲温度やLCRの素子自身で発生する自己発熱で特性が変化します。
測定器や測定系にも誤差が発生する要因もあります。
理論値に対する測定値が±5%程度発生するのは常で、実際に問題にならないように、
LCRの配分を工夫すると誤差やバラツキを少なく出来ます。
 

Q電圧増幅度の出し方

入力電圧と出力電圧があってそこからどうやって電圧増幅度を求めるんですか?
電圧増幅度を出す式を教えてください

Aベストアンサー

増幅回路内の各段のゲイン、カットオフを求めて、トータルゲイン及びF特、位相
を計算するという難しい増幅回路の設計にはあたりませんので、きわめて単純に
考えればいいですよ。

電圧利得(A)=出力電圧/入力電圧

となります。

これをデシベル(dB)で表すと

G=20LogA(常用対数)

で計算できます。

ご参考に。

QhFE(直流電流増幅率)の元の意味を教えてください

直流電流増幅率のhFEは、hybrid forward emitterの略だと、検索をかけて1つのサイトからやっとわかりましたが、それでもhybrid forward emitterがどういう意味で直流電流増幅率になるのかわかりません。
それにhは小文字でFEは下付の大文字で表わすのが正しいようです。これもどうしてなんでしょうか。hFEのことを説明しているサイトのほとんどは単に「直流電流増幅率(hFE)」などと書いているくらいです。HFE、hfeなどの書き方もたくさん見られます。下付の大文字をきちんとテキストレベルで表記しているサイトもありますが、下付の大文字なんてどうやって入力するのかもわかりません。
トランジスタの基礎から勉強を始めています。決してどうでもいいことではないと思うのですが教えていただけないでしょうか。

Aベストアンサー

hFEの h は4端子回路の特性を示すパラメータの一種でHybrid parameterからきています。
4端子パラメータには、Zパラメータ、Yパラメータなどが有ります。
hパラメータはZパラメータとYパラメータの雑種なのでhybridなのです。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E4%BA%8C%E7%AB%AF%E5%AD%90%E5%AF%BE%E5%9B%9E%E8%B7%AF

トランジスタは3端子の素子なのでこれを4端子回路にするにはどれかの端子を2本にして4端子にする必要が有ります。
エミッタを2本にした回路はエミッタ接地回路と呼ばれます。hFEのEはこの事を表します。

forward は増幅率の高い方を順方向とするのでforwardになります。

トランジスタで何故hパラメータを使用するのかと言うと測定のし易さが理由です。
ZパラメータのZ11、Z21を測定するときはI2=0を条件として測りますが、
エミッタ接地の出力インピーダンスは高いのでI2=0にしようとすると出力電圧がトランジスタの動作範囲を超えてしまいます。
YパラメータのY11、Y21ではV2=0が条件ですが、これは定電圧源につなぐことで実現できます。

Z12、Z22についてはI1=0が条件ですが、これはエミッタ接地のベースを電流源で駆動することを意味しますが簡単に実現できます。
Y12、Y22についてはV1=0が条件です。
これはエミッタ接地のベースのインピーダンスは比較的に低いのでわずかな変動でも入力電流が変化して測定値に誤差が生じます。
その為、V2=0とI1=0の条件で測定するhパラメータが使用されます。

hFEの h は4端子回路の特性を示すパラメータの一種でHybrid parameterからきています。
4端子パラメータには、Zパラメータ、Yパラメータなどが有ります。
hパラメータはZパラメータとYパラメータの雑種なのでhybridなのです。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E4%BA%8C%E7%AB%AF%E5%AD%90%E5%AF%BE%E5%9B%9E%E8%B7%AF

トランジスタは3端子の素子なのでこれを4端子回路にするにはどれかの端子を2本にして4端子にする必要が有ります。
エミッタを2本にした回路はエミッタ接地回路と呼ばれます。hFEのEはこの事を表し...続きを読む

Qエミッタ接地における出力信号の反転について

あけましておめでとうございます。
新年そうそう申し訳ございませんがよろしくお願いいたします。
(1)エミッタ接地回路における入力信号と出力信号の関係についてですが、ベースバイアスを加えた場合には、出力信号は入力信号に対し反転しているのですが、ベースバイアスなしの場合ではも同様に反転するのでしょうか。あくまで、出力信号が反転するのはベースバイアスを加えたときだけなのでしょうか。

(2)この出力信号の反転について、なぜ反転して現れるのでしょうか。理論にこだわりすぎで、このようなものはよく結果として得られるものもあるかと思いますが、どの回路で・・・というか、どのような仕組み、原理から反転しているのでしょうか。

(3)この反転は出力信号で現れますが、コレクト電圧(コレクト-エミッタ間電圧)において、入力信号に対して反転して現れているのでしょうか。

細かい事項で申し訳ございませんがヨロシクお願いいたします。

Aベストアンサー

 エミッタ接地トランジスタ回路における出力信号(電圧)は、入力信号(電圧)に対して反転します(位相が逆になります)。ベースにバイアスを与えるかどうかには関係しません。

 入力信号(電圧)によってベースに電流が流れ込むと、それがコントロール作用をして、コレクタに増幅された電流が流れることが可能になります。電圧増幅するためにはコレクタに一端を電源に接続した負荷抵抗をつけるわけですが、コレクタを通じて負荷抵抗に増幅された電流が流れると、コレクタの電圧は接地側に近づくので、コレクタから取り出す出力信号(電圧)は原理的に入力信号(電圧)に対して反転します。

 エミッタに抵抗をつけ、この抵抗を介してエミッタを接地すると、エミッタの出力信号(電圧)は、入力信号(電圧)と同相になります(反転しません)。

 コレクタとエミッタの両方に抵抗をつけると、コレクタ出力電圧は反転し、エミッタ出力電圧は反転しません。

Q周波数特性の利得の低下について

トランジスタの周波数特性についてお尋ねしたいことがあります。

周波数特性は台形のような形をしているのですが、低域周波数帯と高域周波数帯で利得が低下する原因が分かりません。
初心者でも分かるように簡単に説明してくれませんか?。よろしくお願いします。

Aベストアンサー

トランジスタの増幅回路で入力や出力の結合部分にコンデンサを使うことが一般的ですがこれが原因で増幅度が小さくなる事は有ります。

つまり
信号源→コンデンサ→増幅回路入り口
と言う場合コンデンサのリアクタンスは1/ωCで計算されますがここでω=2Πfですから周波数fが下がればリアクタンスが大きくなって結合が弱まりますね。また補正のためにエミッタアース間にもコンデンサを入れる事が多いですがこれは周波数が低くなると負帰還が多くなり増幅度は下がります。

逆に周波数が非常に高くなるとベース、エミッタ、コレクタ、各電極の配線などの浮遊容量などによって増幅度を下げる方向に作用します。
殊更高くなると半導体内部の電荷の移動時間すら問題になります。

Q遮断周波数のゲインがなぜ-3dBとなるのか?

私が知っている遮断周波数の知識は・・・
遮断周波数とはシステム応答の限界であり、それを超えると減衰する。
<遮断周波数の定義>
出力電力が入力電力の1/2となる周波数を指す。
電力は電圧の2乗に比例するので
Vout / Vin = 1 / √2
となるので
ゲインG=20log( 1 / √2 )=-3dB
となる。

ここで、なぜ出力電力が入力電力の1/2(Vout / Vin = 1 / √2)
となるのでしょうか?
定義として見るにしてもなぜこう定義するのか
ご存じの方いらっしゃいましたら教えて下さい。

Aベストアンサー

>ここで、なぜ出力電力が入力電力の1/2(Vout / Vin = 1 / √2)
>となるのでしょうか?
>定義として見るにしてもなぜこう定義するのか

端的に言えば、
"通過するエネルギー"<"遮断されるエネルギー"
"通過するエネルギー">"遮断されるエネルギー"
が、変わる境目だからです。

>遮断周波数とはシステム応答の限界であり、それを超えると減衰する。
これは、少々誤解を招く表現です。
減衰自体は"遮断周波数"に至る前から始まります。(-3dBに至る前に、-2dBとか、-1dBになる周波数があります)

Q固定バイアス回路で、バイアス抵抗で増幅率が変わるのは何故。

こんばんは。
添付したような固定バイアス回路で、
バイアス抵抗R1の値を変えると、増幅率
が変わってきます。
(TINAというシュミレータを
使っています。
入力電圧は、正弦波10mVです。
添付の回路で、出力150mV程度。
R1を10Mで、出力20mV程度。
500Kで、出力210mV程度になります)。
交流増幅で、バイアス抵抗
により、増幅率が異なる理由が
よく分かりません。
ベース電流に増減があり、
コレクタ電流が変わっても、
結合コンデンサで、
交流のみ取り出している以上、
増幅率は、変わらないのでは
ないでしょうか。
何か分かる人がいましたら、
よろしくお願いします。
また、出力結果では、
いつも、マイナスのほうに
10mV程度、振幅が大きくなって
しまいます。
回路に問題あるでしょうか。
この点も、よろしかったら、
お願いします。

Aベストアンサー

一言で言うと、トランジスタが非線形(ノンリニア)だからです。
バイアスが浅い(コレクタ電流が小さい)ところと、深い(同電流
が大きい)ところではトランジスタ自体の増幅率が違います。

この性質を利用して、無線機(ラジオやテレビも同じ)の受信感度
を自動調整しています。電波が強いときはバイアスを浅くして
ゲインを下げ、弱いときは深くして上げるような自動調整回路
(オートゲインコントロール:AGC)が使われています。

波形が上下非対称なのも非線形のためです。

トランジスタを電圧源で駆動しないで、電流源で駆動すると非線形
がだいぶ減ります。トランジスタのデータシートに出ている
ベース電圧対コレクタ電流のグラフは大きく曲がっていますね。
これが非線形です。ところが、コレクタ電流対hfeのグラフは
相当平らなものがあります。これはコレクタ電流を大幅に変えても
ゲインが一定ということを表します。

一番簡単に電流源による実験をするにはC1と直列に100kΩくらいを
付けてみてください。ゲイン自体は小さくなってしまいますが、
バイアス抵抗を変えてもゲインの変動は軽減するはずです。

一言で言うと、トランジスタが非線形(ノンリニア)だからです。
バイアスが浅い(コレクタ電流が小さい)ところと、深い(同電流
が大きい)ところではトランジスタ自体の増幅率が違います。

この性質を利用して、無線機(ラジオやテレビも同じ)の受信感度
を自動調整しています。電波が強いときはバイアスを浅くして
ゲインを下げ、弱いときは深くして上げるような自動調整回路
(オートゲインコントロール:AGC)が使われています。

波形が上下非対称なのも非線形のためです。

トランジスタを電...続きを読む


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