エミッタ接地アンプ

太陽電池を光強度計として使用することに興味があったとします。太陽電池の出力電流を使ってメーターの動きを駆動することにより、太陽電池の入射光の強度を測定したいと思います。この目的のために、メータームーブメントを太陽電池に直接接続することが可能です。写真撮影用の最もシンプルな露出計は、このように設計されています。

高輝度の光が露出計を直接駆動します。

このアプローチは、中程度の光強度の測定には機能する可能性がありますが、低光強度の測定には機能しません。太陽電池はメーターの動きに必要な電力を供給しなければならないため、システムの感度は必然的に制限されます。ここでの必要性が非常に低いレベルの光強度を測定することであると仮定すると、別の解決策を見つけることが求められます。

増幅器としてのトランジスタ

おそらく、この測定問題の最も直接的な解決策は、トランジスタをから使用することです。 増幅 太陽電池の電流。これにより、より少ない入射光でより多くのメーターのたわみが得られます。

低強度の光の場合、細胞電流を増幅する必要があります。

この回路のメーターの動きを流れる電流は、太陽電池の電流のβ倍になります。トランジスタβが100の場合、これは測定感度の大幅な向上を表します。メーターの針を動かすための追加の電力は、太陽電池自体ではなく、回路の右端にあるバッテリーから供給されることを指摘するのが賢明です。太陽電池の電流はすべて制御です 太陽電池が補助なしで提供できるよりも多くのメーター読み取り値を提供するためのメーターへのバッテリー電流。

トランジスタは電流調整装置であり、メーターの動きの表示は可動コイルを流れる電流に基づいているため、この回路のメーターの表示は、太陽電池からの電流のみに依存し、によって提供される電圧の量には依存しない必要があります。バッテリー。これは、回路の精度がバッテリーの状態に依存しないことを意味します。これは重要な機能です。バッテリーに必要なのは、メーターをフルスケールで駆動するための特定の最小電圧および電流出力能力だけです。

負荷抵抗を流れる電流による電圧出力

エミッタ接地構成を使用できる別の方法は、出力電圧を生成することです。 特定の出力 current ではなく、入力信号から派生 。メーターの動きを単純な抵抗器に置き換えて、コレクターとエミッターの間の電圧を測定しましょう。

エミッタ接地増幅器は、負荷抵抗を流れる電流によって電圧出力を発生させます。

太陽電池が暗くなると（電流が流れない）、トランジスタはカットオフモードになり、コレクタとエミッタ間のオープンスイッチとして動作します。これにより、コレクターとエミッターの間に最大の電圧降下が発生し、最大のV _出力が得られます。 、バッテリーの全電圧に等しい。

フルパワー（最大露光量）では、太陽電池はトランジスタを飽和モードに駆動し、コレクタとエミッタ間の閉じたスイッチのように動作します。その結果、コレクタとエミッタ間の電圧降下が最小になるか、出力電圧がほぼゼロになります。実際には、コレクタ電流が流れる必要のある2つのPN接合があるため、飽和トランジスタはコレクタとエミッタ間の電圧降下をゼロにすることはできません。ただし、この「コレクタ-エミッタ飽和電圧」はかなり低く、使用する特定のトランジスタに応じて、約10分の1ボルトになります。

ゼロと最大太陽電池出力の間のどこかの露光レベルの場合、トランジスタはアクティブモードになり、出力電圧はゼロとフルバッテリ電圧の間のどこかになります。エミッタ接地構成についてここで注意すべき重要な品質は、出力電圧が反転されていることです。 入力信号に関して。つまり、入力信号が増加すると出力電圧が低下します。このため、エミッタ接地アンプの構成は 反転と呼ばれます。 アンプ。

下の図の回路の簡単なSPICEシミュレーション（下の図）は、この増幅器回路に関する定性的な結論を検証します。

 *エミッタ接地アンプi10 1 dc q1 2 1 0 mod1 r 3 2 5000 v1 3 0 dc 15 .model mod1 npn .dc i1 0 50u 2u .plot dc v（2,0）.end 

ノード番号と対応するSPICEネットリストを含む共通エミッタ回路図。

エミッタ接地：コレクタ電圧出力とベース電流入力。

電流源（太陽電池）がゼロ電流を出力している上の図のシミュレーションの開始時に、トランジスタはカットオフモードにあり、バッテリからの15ボルト全体が増幅器の出力（ノード2と0の間）に表示されます。 。太陽電池の電流が増加し始めると、トランジスタが30 µAのベース電流（3 mAのコレクタ電流）で飽和に達するまで、出力電圧は比例して減少します。グラフの出力電圧トレースが、完全にゼロに達することのない飽和点まで完全に線形（15ボルトから1ボルトまで1ボルトステップ）であることに注目してください。これは前述の効果であり、飽和トランジスタは内部接合効果のためにコレクタとエミッタ間の電圧降下を正確にゼロにすることはできません。入力電流が28µAから30 µAに増加すると、出力電圧が1ボルトから0.2261ボルトに急激に減少し、その後、出力電圧が継続的に減少します（段階的に小さくなりますが）。このシミュレーションでこれまでに得られた最低の出力電圧は0.1299ボルトであり、漸近的にゼロに近づいています。

ACアンプとしてのトランジスタ

これまで、DC信号の増幅器として使用されるトランジスタを見てきました。太陽電池の露出計の例では、太陽電池のDC出力を増幅して、DCメーターの動きを駆動したり、DC出力電圧を生成したりすることに関心がありました。ただし、トランジスタを増幅器として使用できるのはこれだけではありません。多くの場合、 AC 交互を増幅するための増幅器 電流および電圧信号が必要です。これの一般的な用途の1つは、オーディオ電子機器（ラジオ、テレビ、拡声装置）です。以前、トランジスタスイッチをアクティブにする音叉のオーディオ出力の例を見ました。下の図のランプではなくスピーカーに電力を送るようにその回路を変更できるかどうかを見てみましょう。

オーディオによって作動するトランジスタスイッチ。

元の回路では、全波ブリッジ整流器を使用してマイクのAC出力信号をDC電圧に変換し、トランジスタの入力を駆動していました。ここで気にしたのは、マイクからの音声信号でランプをオンにすることだけで、この配置で十分でした。しかし今、私たちはAC信号を再生し、スピーカーを駆動したいと思います。これは、トランジスタを駆動し、ブリッジ整流器を取り外し、ランプをスピーカーに交換するために歪みのないAC信号が必要なため、マイクの出力を整流できなくなったことを意味します。

エミッタ接地アンプは、可聴周波数信号でスピーカーを駆動します。

マイクロフォンは、ベース-エミッターPN（ダイオード）接合の順方向電圧降下を超える電圧を生成する可能性があるため、マイクロフォンと直列に抵抗を配置する必要があります。 SPICEで回路をシミュレートします。ネットリストは（下の図）に含まれています

エミッタ接地オーディオアンプのSPICEバージョン。

エミッタ接地アンプvinput1 0 sin（0 1.5 2000 0 0）r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.74m .plot tran v （1,0）i（v1）.end 

DCベースバイアスがないため、コレクタで信号がクリップされました。

シミュレーションでは、入力電圧（1.5ボルトのピーク振幅と2000 Hzの周波数のAC信号）と15ボルトのバッテリーを流れる電流の両方がプロットされます。これはスピーカーを流れる電流と同じです。ここに表示されているのは、正と負の両方向に交互に流れる完全なAC正弦波と、一方向にのみパルスする半波出力電流波形です。この波形でスピーカーを駆動すると、生成される音が歪んでしまいます。

回路の何が問題になっていますか？マイクからAC波形全体を忠実に再現しないのはなぜですか？この質問に対する答えは、下の図のトランジスタダイオード電流源モデルを詳しく調べることでわかります。

モデルは、ベース電流が一方向に流れることを示しています。

コレクタ電流は、ベース-エミッタダイオードを流れる電流によって設定されたペースに応じた定電流メカニズムによって制御または調整されます。トランジスタを流れる両方の電流経路は一方向であることに注意してください：一方向のみ！ AC を増幅するためにトランジスタを使用するという私たちの意図にもかかわらず 信号、それは本質的に DC 一方向の電流を処理できるデバイス。ベースとエミッタの間にAC電圧入力信号を印加することもできますが、ベースとエミッタのダイオード接合を逆バイアスするサイクルの一部では、その回路に電流を流すことはできません。したがって、トランジスタはサイクルのその部分を通してカットオフモードのままになります。入力電圧がベースエミッタダイオードを順方向にバイアスする正しい極性である場合、およびその電圧がダイオードの順方向電圧降下を克服するのに十分高い場合にのみ、アクティブモードで「オン」になります。バイポーラトランジスタは電流制御デバイスであることを忘れないでください ：ベースからエミッタへの電流の存在に基づいてコレクタ電流を調整します 、ベースからエミッタへの電圧ではありません 。

トランジスタにスピーカーを流れる電流として波形全体を再現させる唯一の方法は、トランジスタを常にアクティブモードに保つことです。これは、入力波形サイクル全体を通してベースを流れる電流を維持する必要があることを意味します。したがって、ベース-エミッタダイオード接合は常に順方向にバイアスされている必要があります。幸い、これはDC バイアス電圧で実現できます。 入力信号に追加されます。十分なDC電圧をAC信号源と直列に接続することにより、波サイクル全体のすべてのポイントで順方向バイアスを維持できます。 （下の図）

Vbiasはトランジスタをアクティブ領域に保ちます。

エミッタ接地アンプvinput1 5 sin（0 1.5 2000 0 0）vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.78 m .plot tran v（1,0）i（v1）.end 

Vbiasによる歪みのない出力電流I（v（1）

2.3ボルトのバイアス電圧源を使用すると、トランジスタは波のサイクル全体を通してアクティブモードのままになり、スピーカーで波形を忠実に再現します。入力電圧（ノード1と0の間で測定）が約0.8ボルトから3.8ボルトの間で変動することに注意してください。これは、予想どおり3ボルトのピークツーピーク電圧です（ソース電圧=1.5ボルトピーク）。出力（スピーカー）電流はゼロからほぼ300 mAの間で変化し、入力（マイク）信号と180°位相がずれています。

下の図の図は、同じ回路の別のビューです。今回は、いくつかのオシロスコープ（「スコープメーター」）が重要なポイントに接続され、関連するすべての信号を表示しています。

入力はベースで上向きにバイアスされています。出力が反転します。

バイアス

全波形再生を得るためにトランジスタ増幅器回路にバイアスをかける必要性は重要な考慮事項です 。この章の別のセクションでは、バイアスとバイアス技術の主題に完全に専念します。今のところ、アンプから適切な電圧と電流を出力するにはバイアスが必要になる可能性があることを理解するだけで十分です。

アンプ回路が機能しているので、その電圧、電流、およびパワーゲインを調べることができます。これらのSPICE分析で使用される汎用トランジスタのβは100です。これは、以下の表のテキスト出力に含まれる短いトランジスタ統計のプリントアウトで示されています（これらの統計は、簡潔にするために最後の2つの分析から切り取られたものです）。

BJTSPICEモデルパラメータ。

タイプnpnは1.00E-16bf 100.000 nf 1.000 br 1.000 nr 1.000 

βは略語「bf」の下にリストされています。これは実際には「beta、forward」を表します 。分析のために独自のβ比を挿入したい場合は、SPICEネットリストの.model行に挿入できます。

βはコレクタ電流とベース電流の比率であり、負荷はトランジスタのコレクタ端子と直列に接続され、ソースはベースと直列に接続されているため、出力電流と入力電流の比率はベータに等しくなります。したがって、この例のアンプの電流ゲインは100、つまり40dBです。

電圧ゲイン

電圧利得は、この回路の電流利得よりも計算が少し複雑です。いつものように、電圧ゲインは、出力電圧を入力電圧で割った比率として定義されます。これを実験的に決定するために、最後のSPICE分析を変更して、出力電流ではなく出力電圧をプロットし、下の図で比較する2つの電圧プロットを作成します。

エミッタ接地アンプvinput1 5 sin（0 1.5 2000 0 0）vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.78 m .plot tran v（1,0）v（3）.end 

V（3）、r両端の出力電圧 spkr 、入力と比較。

同じスケール（0〜4ボルト）でプロットすると、上の図の出力波形は、バイアス電圧が低く、から上昇していないことに加えて、入力波形よりもピークツーピーク振幅が小さいことがわかります。入力のように0ボルト。 AC増幅器の電圧利得は、AC振幅の比率によって定義されるため、2つの波形を分離するDCバイアスは無視できます。それでも、入力波形は出力よりも大きいため、電圧ゲインが1未満（負のdB値）であることがわかります。

低電圧ゲインはすべての特徴ではありません エミッタ接地アンプ。これは、入力抵抗と負荷抵抗の間の大きな不一致の結果です。ここでの入力抵抗（R1）は1000Ωですが、負荷（スピーカー）はわずか8Ωです。このアンプの電流ゲインはトランジスタのβによってのみ決定され、そのβ値は固定されているため、このアンプの電流ゲインはこれらの抵抗のいずれかが変化しても変化しません。ただし、電圧ゲインは これらの抵抗に依存します。負荷抵抗を変更して値を大きくすると、負荷電流の範囲に比例して大きな電圧が降下し、出力波形が大きくなります。別のシミュレーションを試してください。今回は、8Ωの負荷ではなく、下の図の30Ωの負荷を使用します。

エミッタ接地アンプvinput1 5 sin（0 1.5 2000 0 0）vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.78 m .plot tran v（1,0）v（3）.end 

r _spkr を増やす 30Ωにすると、出力電圧が増加します

今回は、上図の出力電圧波形の振幅が入力波形よりも大幅に大きくなっています。よく見ると、出力波形が0〜約9ボルトの間で頂点に達していることがわかります。これは、入力電圧の振幅の約3倍です。

この回路の別のコンピューター分析を行うことができます。今回は、ACの観点から分析するようにSPICEに指示し、波形の時間ベースのプロットではなく、入力と出力のピーク電圧の数値を示します。 （下の表）

AC入力および出力電圧を印刷するためのSPICEネットリスト。

エミッタ接地アンプvinput1 5 ac 1.5 vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .ac lin 1 2000 2000 .print ac v（ 1,0）v（4,3）.end freq v（1）v（4,3）2.000E + 03 1.500E + 00 4.418E + 00 

入力と出力のピーク電圧測定は、1.5ボルトの入力と4.418ボルトの出力を示しています。これにより、2.9453（4.418 V / 1.5 V）、つまり9.3827dBの電圧ゲイン比が得られます。

電圧ゲインの解決：

エミッタ接地アンプの電流利得はβで固定されており、入力電圧と出力電圧は入力電流と出力電流にそれぞれの抵抗を掛けたものに等しいため、おおよその電圧利得の式を導き出すことができます。

ご覧のとおり、電圧ゲインの予測結果はシミュレーション結果に非常に近いものです。完全に線形のトランジスタ動作では、2セットの図は完全に一致します。 SPICEは、その分析でバイポーラトランジスタ機能の多くの「癖」を説明する合理的な仕事をしているため、SPICEの出力に基づく電圧ゲインのわずかな不一致があります。

これらの電圧ゲインは、回路内の出力電圧を測定する場所（コレクターとエミッターの両端、または前回の分析で行った直列負荷抵抗）に関係なく同じままです。出力電圧の量変化 任意の入力電圧量に対して、同じままになります。この証拠として、次の2つのSPICE分析を検討してください。下の図の最初のシミュレーションは時間ベースであり、入力電圧と出力電圧のプロットを提供します。 2つの信号の位相が180°ずれていることに気付くでしょう。以下の表の2番目のシミュレーションは、AC分析であり、入力と出力の単純なピーク電圧の読み取り値を提供します。

エミッタ接地アンプvinput1 5 sin（0 1.5 2000 0 0）vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.74 m .plot tran v（1,0）v（3,0）.end 

エミッタ接地増幅器は、R _spkr で電圧利得を示します =30Ω AC分析用のSPICEネットリスト

エミッタ接地アンプvinput1 5 ac 1.5 vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .ac lin 1 2000 2000 .print ac v（ 1,0）v（3,0）.end freq v（1）v（3）2.000E + 03 1.500E + 00 4.418E + 00 

ピーク出力電圧は4.418ボルト、ピーク入力電圧は1.5ボルトです。

これまでのところ、このセクションに示されている回路例はすべてNPNトランジスタを使用しています。 PNPトランジスタは、任意のでNPNと同じように使用できます。 適切な極性と電流方向が維持されている限り、アンプ構成であり、エミッタ接地アンプも例外ではありません。 PNPトランジスタアンプの出力反転とゲインは、対応するNPNと同じですが、バッテリーの極性だけが異なります。

エミッタ接地アンプのPNPバージョン。

レビュー：

• エミッタ接地 トランジスタ増幅器は、入力電圧ポイントと出力電圧ポイントが、電源を考慮せずに、トランジスタのエミッタリードを互いに共有するため、いわゆるです。
• トランジスタは本質的にDCデバイスです。逆方向の電圧や電流を直接処理することはできません。 AC信号を増幅するためにそれらを機能させるには、入力信号をDC電圧でオフセットして、波のサイクル全体を通してトランジスタをアクティブモードに保つ必要があります。これはバイアスと呼ばれます 。
• 出力電圧をエミッタ接地増幅器のエミッタとコレクタの間で測定すると、入力電圧波形と180°位相がずれます。したがって、エミッタ接地増幅器は反転と呼ばれます。 増幅回路。
• コレクタと直列に負荷が接続されたエミッタ接地トランジスタ増幅器の電流利得はβに等しくなります。エミッタ接地トランジスタ増幅器の電圧利得は、おおよそここに示されています：

• ここで、「Rout」はコレクターと直列に接続された抵抗器であり、「Rin」はベースと直列に接続された抵抗器です。

関連するワークシート：

• クラスABJTアンプワークシート