エミッタ接地増幅回路について教えてください＞＜

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質問者：takatyome8
質問日時：2013/05/13 23:02
回答数：3件

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。

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「逆方向飽和電流」に関するQ&A：逆方向飽和電流の求め方に関する質問です。

回答 (3件)

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No.3ベストアンサー

回答者： info22_
回答日時：2013/05/14 09:55

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

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No.2

回答者： kimamaoyaji
回答日時：2013/05/13 23:22

1反転増幅器だからです。

ベース電流を流すにはベースに＋電圧を印加する訳ですが、ベース電流を流すとコレクター電流が増加します、つまりエミッター接地のマイナス方向に電圧が低下するという事ですから、反転増幅器なのです。
エミッタ設置増幅で出力が歪むと言うのは当たり前の話で、例えば、増幅率１、エミッター抵抗と、コレクター抵抗を同じにしても過大電圧が入力されれば歪みます、コレクターフォロワーにしても過大電圧が印加されれば歪みます、これは当然の原理だと思いますが？
例えば電源２Vのアンプの入力に２Vp-pの信号を印加すれば歪みます、要求する振幅幅が４Vなのに２Vしか電圧がなければクリップされて歪むという事はお分かりですよね、さらに増幅率が関係したら、増幅率10ばいで0.2Vp-pでも４V以上の電源が必要ですから歪みます。
特にエミッター抵抗の無いエミッター接地の場合、Hfeは温度や色々な条件で変わるので、増幅率を固定か出来ないのでなおさら入力に関しては困難です。

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No.1

回答者： k_kota
回答日時：2013/05/13 23:20

基本だし、簡単なんですけど、トランジスタの勉強をしたいならちゃんと理解したほうがいいし、必要じゃないなら聞かないような気もするのですがなんのための質問なんでしょうか。

実際回路を決めて計算すればそうなるのは自明です。
まあVbe,Vceの流れから考えれば出るというか、それくらいでしょうか。

２はトランジスタは厳密には信号を増幅してるのではなく電流をコントロールしてるので、発電してるわけでもないので限界があるため。

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あけましておめでとうございます。
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(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。

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(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。

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　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。

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よろしければ教えてください。よろしくお願いします。

Aベストアンサー

定性的な説明は isoworld さんと outerlimit さんの通りです。
もし定量的な説明が必要であれば以下を参考にしてください。

例えば以下のようなエミッタ接地の増幅回路を考えます。

　　　　　　　　　 ┌──-┬─ Vcc（電源電圧）
　　　　　　　　　 │　　　 Rc
　　　　　　　　　 R1　　　├─ Cout ─ Vout
　　　　　　　　　 │　　　 C
　Vin ─ Cin ─┼─ B
　　　　　　　　　 │　　　 E
　　　　　　　　　R2　　　│
　　　　　　　　　│　　　Re
　　　────┴──┴───── GND

Vin が入力信号で、Vout が出力信号です。交流の入力信号に対して、カップリングコンデンサの Cin と Cout のインピーダンスはゼロと仮定します（これを考慮すると式が複雑になるため）。すると、交流の等価回路は次のようになります。

　　　　　　　ib →　　　　　　　← β*ib
　　 Vin ─┬──┐　 ┌──────┬─ Vout
　　　　　　 │　　　 r　　↓ β*ib　　　　　 │
　　　　 R1//R2　 └─┤← Ve　　　　　Rc↑β*ib
　　　　　　 │　　　　　 Re↓(1+β)*ib　　│
　　　　　─┴────┴──────┴─

r はトランジスタの入力抵抗、βはトランジスタの電流増幅率、ib はベース電流、Ve はエミッタ電圧です。
R1//R2 は R1 と R2 の並列合成抵抗で R1//R2 = R1*R2/( R1 + R2 ) です。電源ライン Vcc は一定電圧なので、交流的にはGNDと同じとみなせます。したがって入力端子から交流的に見ると R1 と R2 が並列接続されているように見えます（実は、信号源の出力抵抗が充分小さければ、この部分は全体の増幅率に影響しません）。

エミッタには、直流電圧に交流電圧（信号）が重畳した脈流的な電圧が出ていますが、この図で Ve というのは、その交流（信号）成分を意味しています。Vin もベース電圧の交流成分、Vout もコレクタ電圧の交流成分という意味です。電流も同様で、ベース電流やコレクタ電流は直流に交流が重畳した脈流ですが、図で示したのは交流成分の意味です。電流の向きは、ベース電流 ib が図の向きに増える方向に動いたときに、コレクタ電流 β*ib が図の向きに増えるということを表わしています。β*ib が増えると、コレクタ抵抗 Rc による電圧降下で、Vout は小さくなる方向（負の電圧の方向）に動くことになります。ib が増えるのは Vin が大きくなる方向（正の電圧方向）に動いているときなので、Vin と Vout の位相は互いに逆になります。

コレクタ電流は、ベース電流をβ倍したもので、エミッタ電流はベース電流とコレクタ電流の和なので、ベース、エミッタ、コレクタに流れる電流について以下の関係式が得られます。
　　　ベース電流　　ib = ( Vin - Ve )/r --- (1)
　　　エミッタ電流　　( 1 + β )*ib = Ve/Re --- (2)
　　　コレクタ電流　　β*ib = -Vout/Rc --- (3)
式(1)を式(2)に代入して ib を消せば
　　　( 1 + β )*( Vin - Ve )/r = Ve/Re
これを Ve について解くと
　　　Ve = ( 1 + β )*Vin/( r/Re + 1 + β ) --- (4)
一方、式(1)を式(3)に代入して ib を消せば
　　　β*( Vin - Ve )/r = -Vout/Rc --- (5)
式(4)を式(5)に代入して Ve を消せば
　　　β*{ Vin - ( 1 + β )*Vin/( r/Re + 1 + β ) }/r = -Vout/Rc
　　→ Vout/Vin = -( β*Rc )/{ 1 + ( 1 + β )*Re } --- (6)
となります。上式の右辺の分母・分子をβで割ると
　　　Vout/Vin = -Rc/{ Re + ( r + Re )/β} --- (6')
となります。- がついているのは、Vin と Vout が逆相になっていることを表わしています。

トランジスタの電流増幅率 β が非常に大きいとき、式(6')の ( r + Re )/β はゼロとみなせるので
　　　Vout/Vin = -Rc/Re
となって、信号増幅率（ Vout/Vin ）はコレクタ抵抗とエミッタ抵抗の比だけで決まります（この近似式は増幅器の設計によく用いられます）。

しかしβ が非常に大きいとはみなせないとき（普通のトランジスタのβは数十～数百程度）、βの大きさによって Vout/Vin が変わります。Vout/Vinが β の変動に対してどれくらい安定しているかというのは、式(6)をβで偏微分した「信号増幅率の変化率」で評価します。
　　信号増幅率の変化率 = ∂( Vout/Vin )/∂β
　　　　　　　　　　　　　　　 = - Rc*( r + Re )/{ r + ( 1 + β )*Re }^2 --- (7)
β が非常に大きいとき、信号増幅率はゼロに漸近しますから、βの変動に対して信号増幅率は変化しない、つまり増幅率は安定ということになります（βそのものが大きいのでβが多少変わっても影響が少ないのは当然といえば当然ですが）。

βが有限の場合、Re がもしゼロ（エミッタ抵抗がない）ならば
　　信号増幅率の変化率 =- Rc/r --- (8)
となって、Rc が大きく、r が小さいほどβの変動に弱い回路になります（ r は通常、数kΩで、ベース電流が大きいほど小さくなる）。式(7) を書き直すと
　信号増幅率の変化率 = ( Rc/r )*( 1 + Re/r )/{ 1 + ( 1 + β )*( Re/r ) }^2
となります。この式は分子に Re/r、分母に ( Re/r )^2 の項があるので、Re/r が大きいほど信号増幅率の変化が小さいことを表わしています（Re/r = 0 のとき式(8)になります）。

式ばかりいじっていてもピンと来ないので、数値例を紹介します。Rc = 10kΩ、β = 100、r = 5kΩ の回路で、何らかの原因でβが 50 に下がったり、200にまで大きくなったとします。すると、式(6)または式(6')を使って計算すると分かりますが、回路全体の増幅率、増幅率の変化は以下のようになります。

　・Re = 0 の場合　　　増幅率 = -100（β=50)、-200（β=100)、-400（β=200)、増幅率の変化 = -50%～+100%
　・Re = 100Ωの場合　増幅率 = -49.5（β=50)、-66.2（β=100)、-79.7（β=200)、増幅率の変化 = -25%～+20%
　・Re = 1kΩの場合　　増幅率 = -8.93（β=50)、-9.43（β=100)、-9.71（β=200)、増幅率の変化 = -5.4%～+2.9%

Re が大きいほど増幅率そのものは低下しますが、安定度が良くなることが分かると思います。なお、エミッタ抵抗に並列にコンデンサを入れた回路は、交流的にはRe が小さい回路になるので、信号増幅率は大きくできますが安定性は良くありません（直流的な動作点は安定します）。

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OPアンプを用いて、非反転増幅回路（５倍）をつくり、実験をしたら、次のような結果が得られました。

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この結果から、高電圧、高周波数範囲では増幅器としての役割を果たさないということは解りましたが、なぜそうなるのかというところが解りません。わかるかた、どうか教えてください。

Aベストアンサー

ＯＰアンプの出力電圧の振幅は電源電圧以上にはできませんから、入力電圧が高くなると当然振り切れてしまいます。ＯＰアンプの種類にもよりますが＋－１２Ｖで使ったとしてエミッターフォロワータイプなら約＋－９．５Ｖ程度、コレクターフォロワータイプやＦＥＴ出力段になっているものならほぼ電源電圧まで振れます。

増幅率が５倍なら、その１／５、約２Ｖ程度で振り切れてしまい、単純に出力電圧／入力電圧の式で計算すると振り切れて以降は、出力電圧は上がりませんから、増幅度は低下します。もし電源電圧より高い出力電圧を必要とするなら、もっと高い電源電圧の増幅器を後ろにくっつけるか、交流ならトランスを使って帰還ループもそこから取る必要があります。

ちなみに最大出力振幅は、エミッターフォロワで、電源電圧－２．５Ｖです。

それから周波数特性ですが、周波数が高くなってくるとＩＣの中のトランジスタの中にあるＰＮ接合面に生じるわずかな静電容量（要するにコンデンサ）の影響が出て来ます。例えば１００ｐＦの接合面容量があったとして、５０ＫＨｚでおよそ３０ＫΩの抵抗と同じになります。これがトランジスタのベースエミッタ間の容量ならば、入力に並列に３０ｋΩの抵抗が入ったのと同じになり、入力インピーダンスや帰還抵抗の計算に対する影響が無視できなくなります。周波数が高くなればなるほどこういう影響は派手になり、やがては増幅器として機能しなくなります。おおまかで、原因はこれだけじゃないけど、大体こんなお話だと思います。ですから、高周波用や高速動作のものはＩＣの段階からそれなりの作り方をします。

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