多段エミッタ接地回路のゲイン計算、出力抵抗、NPN、PNP、2段、増幅器、アンプ、オープンループゲイン計算、など

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更新日 2017-05-21 | 作成日 2008-01-12

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多段エミッタ接地回路の考え方1


エミッタ接地回路の基本についてここまで勉強してきましたが、ここではその応用として、多段エミッタ接地回路の考え方とあるノードにおけるインピーダンスの考え方を勉強していきます。一例としてNPNとPNPを使った2段エミッタ接地回路の計算をしていきます。ここで用いる考え方は、オペアンプ回路などを計算する基礎にもなるので十分理解しておきましょう。ここで用いる考え方を使えば、エミッタ接地回路のさまざまな計算が出来るようになります。

1、2段エミッタ接地回路のゲインの計算手順

今回計算する回路をFig.1に示します。
2段エミッタ接地回路
Fig.1 2段エミッタ接地回路

前節まで基本的な考え方を勉強したので、一見複雑に見えるこの回路もぜんぜん難しくありません。基本的な考え方の組み合わせです。この回路のゲインの計算方法の一例を紹介しましょう。

 1、増幅器として働くトランジスタを探す
 2、増幅器のコレクタ側のインピーダンスを計算する
 3、段ごとにゲインを計算し、トータルのゲインを計算する

どんな複雑な回路も以上3点を考えるのが基本です。
では順に説明しましょう。

2、回路の動きを知る魔法の手順!?


増幅器として働くトランジスタを見分けるにはどうすればよいでしょうか?


答えは簡単です。エミッタ接地回路かベース接地回路を見つければよいだけです。でもいきなりそれが分かりにくい人のために、簡単な回路の追い方をこっそり教えましょう。知らない回路にぶち当たってもこの考え方で大抵の回路はどういう動きをするかが分かるようになります。では早速・・・

信号はどこから入力され、どこから出力されるのかを見つけ、その入力と出力の間にどのような回路があるかを知るだけです。これがポイントです。

通常入力信号は明示されていると思うので、その入力端子から順に考え、信号はどのように流れていくかを見つけていきます。つまり、あるノードから違う素子がつながっている場所に着目し、そのつながっている素子を順にたどっていきます。何もつながっていないノードは入力でも出力でもありません。単にバイアスしていたり、電流を決定している素子の可能性が高いです。ではFig.1の回路を使って具体的に考えていきましょう。今回は初学者のために、この回路がどういう動きをしているか全く分からないことを前提に回路の追い方を説明していきます。

2段エミッタ接地回路
Fig.1 2段エミッタ接地回路

Fig.1の場合、入力はQ1のベースで、最終的な出力はQ2のコレクタ側です。これはVinとVoutから分かります。ではその間の回路はどうなっているのかを順に見ていきます。

入力はQ1のベース端子です。このノードを考えると、R1とR3はそれぞれ電源とGNDにつながっているのでバイアス素子の可能性が高いと考えます。そしてQ1のベースからQ1のつながり先を考えると、エミッタ側は抵抗がGNDに接続されているだけなので、Q1の出力には成り得ません。つまり、Q1がエミッタフォロア回路の可能性はここで消えました。

次にQ1のコレクタ側は抵抗R2とQ2のベースにつながっています。R2は電源につながっているので、バイアス素子の可能性が高いですが、Q2のベースにもつながるので、Q1の出力はコレクタ側だと分かります。つまり、Q1はベースが入力でコレクタが出力と分かったので、Q1はエミッタ接地回路だとわかります。

次にQ2について考えると、エミッタ端子は電源とつながっており、接地されています。でもQコレクタは出力端子になっています。つまり、Q2のベースは入力で、コレクタ側が出力、つまり、Q2もエミッタ接地回路だと判断できます。

以上で入力から出力まで内部の回路を追うことが出来ました。この回路はQ1とQ2はそれぞれエミッタ接地を構成しているので2段エミッタ接地増幅器だとわかりました。

以上のように、もし知らない回路があっても上記の考え方を適用するで、その回路がどういう構成になっているかを見極めることができるのです。
こんなことを説明している書籍は今までにありましたか?

3、インピーダンスの求め方とは!?

2段エミッタ接地回路
Fig.1 2段エミッタ接地回路

2、で回路構成は分かりましたが、本節の最終的な目的はこの回路のゲインを求めることなので次に進みましょう。
エミッタ接地回路のゲインはみなさんよくご存知のとおり、

   Av=Vout/Vin=-gm×(R//ro)

つまり、エミッタ接地のゲインは入力電圧に対する電流の変化gmとコレクタ側につくインピーダンス(R//ro)の掛け算です。これは基本中の基本なので忘れている人もここで覚えておいてください。

   ゲイン=電流変化×インピーダンス

ゲインを計算する場合、出力ノードにつながるインピーダンスは必ず求める必要があります。とは言っても簡単です。エミッタ接地回路の場合、このインピーダンスはコレクタにつながるすべての素子のインピーダンスの並列です。Fig.1の回路で考えた場合、まずQ1で考えるとQ1のコレクタ側につながる素子はR2とQ2のベース、Q1のコレクタです。それぞれの値を並列にしたものがこのノードのインピーダンスです。

Q2のベースの入力インピーダンスをZinQ2とおくと

   ZinQ2=βreQ2

Q1のコレクタ側のインピーダンスをZoutQ1とおくと

   ZoutQ1=roQ1(1+gm1R4)

以上よりコレクタ端子におけるインピーダンスをZc1とおくと

   Zc1=R2//βreQ2//roQ1(1+gm1R4)

となります。

ここでは紙面の都合上、詳細計算はしませんが アナログ集積回路設計技術〈上〉 などで詳しく説明されています。

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