トランジスタの接地、入出力の信号について

トランジスタについてお伺いしたいです。
いくつかサイトや書籍を見ましたが、全然わかりませんでした...

3つのつなぎ方、ベース接地、エミッタ接地、コレクタ接地についてです。
webサイトと書籍から回路を抜粋しました。（添付画像）


「不明点」
1、接地基準をGNDとして考える
ベース接地、エミッタ接地、コレクタ接地、
どれであっても、ベースの微量な入力信号きっかけに、コレクタからエミッタ間を通ってGNDにいく？

２、上下が同じで接地基準である理由
１がわかればわかるような気がしますが、何をどう見て何接地と言ったらよいのかわからない

３、エミッタ接地でいうと、コレクタで出力を測る理由
ベースをきっかけに、コレクタエミッタ間を流れる信号を増幅させるのであれば、
コレクタからエミッタへ電流が流れているので、出力はコレクタ側ではなくエミッタ側にあるのでは？
それとも電流だから、コレクタ側でもエミッタ側でも結果は変わらない？

4、入出力（抵抗？）をどこの箇所に設けるのか、こういうものだとして覚えるのか？


といったところです。
トランジスタの増幅の仕組みはなんとなく理解しているつもりです。

以上です。
わからないことだらけで先へ進めずにいるので、ご教授いただけると幸いです。
よろしくお願いします。


[回路抜粋元]
第5回　トランジスタには接続方法が3つ (3/3)
http://eetimes.jp/ee/articles/0908/20/news111_3. …

『図解でわかるはじめての電子回路』p81
大熊康弘 著 技術評論社 発行

質問者からの補足コメント

• ありがとうございます。
  ほんの少しだけ分かったように思うのですが、前提の部分がわからないので、理解が追いつきません...。
  
  「電圧が変動する/しない」というのは抵抗があるか、入出力があるかで判断すれば良いですか？(分圧のことですよね...？)
  トランジスタのベース、エミッタ、コレクタそのものには電圧の増減には関与しない、で考えて良いんでしょうか。
  
  出力抵抗とはトランジスタに内臓されているものでなく、回路の中にある抵抗のことですか？

  No.1の回答に寄せられた補足コメントです。 補足日時：2016/03/01 02:42

• ありがとうございます。
  共通電極が何なのかがわからないのですが、
  入出力が何故そこに設定されているのか、を理解したいと思っています。
  
  ご提示頂いた回路を考えるのはまだまだ理解が足りないのですが、
  入力というのは、電池のように電流や電圧を流すものなのでしょうか？

  No.2の回答に寄せられた補足コメントです。 補足日時：2016/03/01 02:51

• 何接地なのかの判断の仕方は理解できたと思います。
  自分なりにまとめましたので、誤りがあればご指摘ください。
  
  1,設置基準のGNDに対して、電圧が変動しない
  
  電圧が変動しないとは...
  ・GNDに直接繋がれている
  ・電圧がDC(直流)に繋がれている
  
  2,入力信号がない
  
  1,2の両方に当てはまるものを、接地基準とする
  
  以上です。
  入力出力部分ではまだわからないところがありまして、、
  質問ばかりになってしまい申し訳ないですが、お答え頂ければ嬉しいです。
  
  文字数の関係で別で投稿させて頂きます。

  No.3の回答に寄せられた補足コメントです。 補足日時：2016/03/06 21:42

• 出力をエミッタで取ると、「エミッタで電圧が取られ、ベースからエミッタ間の電圧が低くなる」のはわかりました。
  
  出力を得るのに抵抗が必要なのは何故でしょうか？
  
  出力をエミッタで取ると、コレクタ接地になりますよね。
  コレクタ接地は「電圧増幅がなし」「電流増幅が大きい」とあったのですが、抵抗がある分電流が流れないように思っています。
  
  また、回路図の上から下に電流？電圧？が流れるのであれば、ベース接地のaで出力が上にあるのがよくわかりません。
  電流の流れ方は添付画像(見え辛くてすみません)でよいでしょうか？
  (ベースの1は謎です)
  
  そして確認ですが、
  >ベース－エミッタ間に加わる電圧を入力信号としてコレクタからエミッタに向かって電流が流れる。
  
  入力信号とは電流と電圧の両方のことを指し、
  ベース－エミッタ間の電流と電圧により、コレクタエミッタ間の電流と電圧を増幅させる、ということでしょうか？

  
    補足日時：2016/03/06 21:45

No.5 ベストアンサー 回答者： xpopo 回答日時： 2016/03/07 11:05

回答NO.4の続きです。

ベース接地についての補足にある質問に以下に回答します。

＞また、回路図の上から下に電流？電圧？が流れるのであれば、ベース接地のaで出力が上にあるのがよくわかりません。
＞電流の流れ方は添付画像(見え辛くてすみません)でよいでしょうか？
＞(ベースの1は謎です)

回答＞＞図aで電流の流れる方向は合ってます。電流の流れる経路は

　　　Vcc→抵抗→トランジスタのコレクタ→トランジスタのエミッタ→信号源の入力

ですが、この図aには余計な抵抗（エミッタとGNDの間に挿入されている。）が分かりづらくしてますね。この抵抗は取り去ってそこに信号源を入れ替えてやればいいのです。

このベース接地の動作を回路シミュレータでシミュレーションした結果を添付します。
　信号源は　振幅：８ｍV（0-p)、周波数：1kHz、コレクタの負荷抵抗RL：30kΩ、ベースDC電圧V2：0.72　Vの条件です。

　シミュレーション結果を見てください。1番上の波形がコレクタ電流：Ic(Q1)、2番目の波形がエミッタ電流：-Ie(Q1)（マイナスの符号が付いてるのはこのシミュレータ（LTspice）では端子に流れ込む方向を＋と定義してるのでエミッタから流れ出す方向は反対なのでマイナスの符号をつけてあります。3番目の波形はコレクタ電圧です。
　シミュレーション結果を見るとエミッタ電流とコレクタ電流は殆ど同じ波形になっていて等しいことが分かります。そしてコレクタの電圧はコレクタ電流に負荷抵抗RLの30kΩを掛け算した値をVcc（この場合5.72V）から引き算した値になってることが分かります。
　


＞そして確認ですが、
＞>ベース－エミッタ間に加わる電圧を入力信号としてコレクタからエミッタに向かって電流が流れる。
＞
＞入力信号とは電流と電圧の両方のことを指し、
＞ベース－エミッタ間の電流と電圧により、コレクタエミッタ間の電流と電圧を増幅させる、ということでしょうか？

回答＞＞図ａの回路では入力は電圧になってます。また添付したシミュレーションでも入力は電圧になってます。この場合、ベースに対するエミッタの電圧変化を入力としてますから電圧で見れば、電圧入力を出力（コレクタ）電圧に増幅してることになります。添付したシミュレーション例では入力電圧Ｖｉｎは８ｍV（0-p)で、出力電圧は1.15V（0-p)ですので増幅率は
　　　　　　　　　　　1.15V／8E-3V＝143.8倍
になってます。

　　また、電流で見ると入力電流はエミッタ電流に相当します。また出力電流はコレクタ電流に相当します。添付のシミュレーションからもわかりますがエミッタ電流とコレクタ電流は等しいです。ということは電流増幅率は１だということが分かると思います。
　実際のこの回路の応用では電流入力で出力を電流で取り出すか電圧で取り出すかの組み合わせで使用することが多いです。

この回答へのお礼

返信まで大変遅くなってしまい、申し訳ありません。
内容を理解してから..と思っていたところ、回答締め切りになってしまい、
その後も理解しようと試みたのですが、理解が追いつきませんでした。。

ご期待に添えない形になってしまい申し訳ないです。
もっと基本的な部分から勉強する必要があることが分かったので、改めて勉強します。
お力添え有難うございました。

お礼日時：2016/04/15 10:03

No.4 回答者： xpopo 回答日時： 2016/03/06 23:29

回答NO.3です。

補足コメントにある質問に対して以下に回答します。

＞出力をエミッタで取ると、「エミッタで電圧が取られ、ベースからエミッタ間の電圧が低くなる」のはわかりました。
＞出力を得るのに抵抗が必要なのは何故でしょうか？
＞出力をエミッタで取ると、コレクタ接地になりますよね。
＞コレクタ接地は「電圧増幅がなし」「電流増幅が大きい」とあったのですが、抵抗がある分電流が流れないように思っています。

回答＞＞「出力を得るのに抵抗が必要なのは何故でしょうか？」この抵抗には２つの目的があります。
　1番目の目的は抵抗に流れる電流によってエミッタに帰還をかけることです。これはベースの電圧が上がるとエミッタ電流が増加してエミッタ電圧を押し上げます。エミッタ電圧が押し上げられると結果的にベース－エミッタ間電圧が小さくなる方向に動作します。ベース－エミッタ間電圧が小さくなる方向はコレクタ電流を減少させる方向の動作になります。エミッタ電流は殆どコレクタ電流に等しいのでエミッタ電流を減少させる方向になるわけです。この動作がエミッタに入れた抵抗による出力電圧のエミッタへの帰還（負帰還）になってるわけです。この帰還（負帰還）によるご利益は２つあります。１つは入力抵抗が非常に大きくなるということです。入力抵抗をRiはトランジスタの相互コンダクタンスをｇｍ（dIc/dVBE）、電流増幅率をβ、エミッタとGND間に接続された抵抗をRLとすると

　　　　　Ri＝β／ｇｍ＋RL(β＋１）　　　　（１）

で与えられます。例えば、コレクタ電流ICが１ｍA、電流増幅率βが１００、RLが1kΩ、温度が25℃の場合を計算してみると、まず、ｇｍは温度電圧を　VT=kT／ｑ（K：ボルツマン定数、T：絶対温度、q：電子素量）として

　　　　　ｇｍ＝IC／VT＝39.2　mA/V

　　　　　Ri＝100／39.2E-3＋1E3（101）＝103.55E3＝103.55kΩ
　　　　　
と非常に大きな入力抵抗になります。
　一方、出力抵抗Roはベースに接続された信号源の信号源抵抗をRsとすると

　　　　　Ro≒1/ｇｍ＋Rs／（１＋β）　　　（２）

で計算されます。この式（２）に上で計算したｇｍとβ（＝１００）を使い、そして信号源抵抗Rsを例えば1kΩとして代入して計算するとRoは、

　　　　　Ro≒1／39.2E-3＋1E3／（101)＝35.4Ω

と非常に小さな値になります。

2つ目は出力電圧（エミッタ電圧）が入力電圧に追従することです。エミッタ電圧はベース電圧よりVBE（通常０．６Vから０．７V）分低い電圧でベース電圧に追従します。これは電圧増幅されてない状態ですね。

それから電流増幅が大きいは上で計算したように入力抵抗が非常に大きいので、入力電流は非常に小さくなります。一方出力は出力抵抗Roは非常に小さいので出力電流は非常に大きくなります。結果、電流増幅率＝出力電流／入力電流ですから電流増幅率は非常に大きくなります。

取り敢えずコレクタ接地に関する質問に回答しました。ベース接地の疑問には明日回答します。

No.3 回答者： xpopo 回答日時： 2016/03/01 09:33

回答NO.1です。

補足コメントについて以下に回答いたします。

＞「電圧が変動する/しない」というのは抵抗があるか、入出力があるかで判断すれば良いですか？(分圧のことですよね...？)
＞トランジスタのベース、エミッタ、コレクタそのものには電圧の増減には関与しない、で考えて良いんでしょうか。

回答＞＞電圧が変動する／しないというのはまず、何に対してが抜けてました。それは接地基準のGNDに対してです。
　①「抵抗があるか、入出力があるか」はトランジスタのベース端子あるいはコレクタ端子あるいはエミッタ端子と接地（GNDまたはDC電圧源）の間に抵抗があるかどうか？
　②そして複数の抵抗で作られた回路、例えば分圧回路のような、に外部から入力信号が加えられているか？
以上の①と②以外の条件が当てはまるトランジスタの端子が接地されて（接地GNDまたはDC電圧源に接続されて）いればその端子がトランジスタ回路の接地タイプということになります。例えばベース端子が接地されていればそれはベース接地に、コレクタ端子が接地されていればそれはコレクタ接地に、エミッタ端子が接地されていればエミッタ接地になるということです。
　
＞出力抵抗とはトランジスタに内臓されているものでなく、回路の中にある抵抗のことですか？

回答＞＞そうです。回路の中にある抵抗のことです。

No.2 回答者： m-jiro 回答日時： 2016/02/26 22:56

まず増幅を考える場合Ｖｃｃは一定の電圧ですからＧＮＤと考えます。

何接地であるかは入力がどことどこに接続されているか、出力はどことどこから取りだされているかで決まり、共通電極が回路名になります。
（以下、ベースはＥ、コレクタはＣ、エミッタはＥと略します）
　　エミッタ接地では入力はＢ－Ｅ間、出力はＣ－Ｅ間、共通電極はＥ。
　　コレクタ接地では入力はＢ－Ｃ間、出力はＣ－Ｅ間、共通電極はＣ。
　　ベース接地では入力はＢ－Ｅ間、出力はＣ－Ｂ間、共通電極はＢ。
共通電極がＧＮＤにつながっていなくてもこれが見抜ければ何接地かはわかるはずです。

ところで添付の回路は何接地かわかりますか？
エミッタ接地です。入力がＢ－Ｅ間につながっていることに注意してください。
出力は負荷抵抗と電源の順番が普通と逆になっています。でもエミッタ接地です。
だまされないでください。

トランジスタはＢ－Ｅ間に加わる電圧を増幅していますが、その値は、
Ｅ接地、Ｂ接地では　　Ｂ－Ｅ間に加わる電圧＝入力電圧　　です。電圧利得も電流利得もあります。
Ｃ接地では　　Ｂ－Ｅ間に加わる電圧＝入力電圧－出力電圧　　です。出力電圧は入力電圧より必ず小さくなるので電圧利得はありませんが、電流利得はあります。
Ｂ接地ではＥ電流（Ｃ電流とほぼ同じ）が入力の信号源に流れるため電流利得はありませんが、電圧利得はあります。

No.1 回答者： xpopo 回答日時： 2016/02/26 09:50

1、接地基準をGNDとして考える

ベース接地、エミッタ接地、コレクタ接地、
どれであっても、ベースの微量な入力信号きっかけに、コレクタからエミッタ間を通ってGNDにいく？

回答＞＞設置基準は基本的にGNDですが、AC動作から見ると電圧が変動しないところは接地になります。すなわちDC電源も接地基準となるのです。
それから、「ベースの微量な入力信号きっかけに」はもう少し具体的に言うと、ベース－エミッタ間に加わる電圧を入力信号としてコレクタからエミッタに向かって電流が流れる。ということになります。

２、上下が同じで接地基準である理由
１がわかればわかるような気がしますが、何をどう見て何接地と言ったらよいのかわからない

回答＞＞ベースあるいはコレクタあるいはエミッタの中のいずれかの端子の電圧が固定されている（GNDに直接つながれてるか電圧一定のDC電圧につながれて固定されているかのいずれか）場合、その固定されている端子は接地されていることになります。ベース電圧が固定されていればベース接地、コレクタ電圧が固定されていればコレクタ接地そしてエミッタ電圧が固定されていればエミッタ接地ということになります。

３、エミッタ接地でいうと、コレクタで出力を測る理由
ベースをきっかけに、コレクタエミッタ間を流れる信号を増幅させるのであれば、
コレクタからエミッタへ電流が流れているので、出力はコレクタ側ではなくエミッタ側にあるのでは？
それとも電流だから、コレクタ側でもエミッタ側でも結果は変わらない？

回答＞＞1.でも回答しましたが、コレクタ－エミッタ間に流れる電圧はベース－エミッタ間の電圧を入力信号として動作します。エミッタ接地はこのトランジスタの入力信号がそのままベースーエミッタ電圧に同じになりますが、出力をエミッタから取ろうと、当然、出力抵抗（インダクタンスやコンデンサの場合もありますが）をエミッタとGNDの間につながなくてはなりません。そうすると、その出力抵抗にはコレクタ－エミッタ間の電流は流れます。しかしその電流は出力抵抗にも流れます。その結果出力抵抗には電圧が発生します。その結果エミッタ電圧がその分上昇してしまいます。その結果、ベース－エミッタ電圧はエミッタの電圧が上昇した分小さくなってしまいます。ベース－エミッタ電圧が小さくなればコレクタ－エミッタ間の電流も減少してしまいます。
しかも、コレクタではなくエミッタを出力にしてしまうとエミッタの電圧が入力信号によって変動してしまうのでエミッタ端子電圧はもはや固定されなくなってしまい「エミッタ電圧が固定されるエミッタ接地」ではなくなってしまいます。

4、入出力（抵抗？）をどこの箇所に設けるのか、こういうものだとして覚えるのか？

回答＞＞２．で回答したようにトランジスタのどの端子が電圧として固定されてかで接地方式は決まるので抵抗は必然的に電圧が固定されてない端子に設けます。例えば、コレクタ接地の場合はコレクタ以外の端子です。出力はエミッタとなりますので、出力抵抗はエミッタとGND間に設けます。エミッタ接地の場合は出力はコレクタになり、コレクタとDC電源間に出力抵抗を設けます。ベース接地の場合は入力はエミッタとなります。出力はコレクタとなりますので出力抵抗はコレクタに設けます。