電圧フォロワー増幅器：設計、構築、測定ガイド

部品と材料

• NPNトランジスタ 1個——2N2222または2N3403推奨。15個パック（Radio Shack #276-1617）はこのプロジェクトと他のプロジェクトに最適。
• 6V電池 2個
• 1kΩ抵抗 2本
• 10kΩシングルターン直線性ポテンショメータ（Radio Shack #271-1715）

トランジスタのピン配置は、見た目が同じパッケージでも異なる場合があります。配線前に必ずメーカーのデータシートを参照してください。マルチメータのダイオードチェック機能で素早く確認することを強くお勧めします。

マルチメータでバイポーラトランジスタ端子を特定するステップバイステップガイドは、『Semiconductor Volume III』シリーズ第4章を参照してください。

参考文献

『Lessons In Electric Circuits』第3巻 第4章：「Bipolar Junction Transistors（バイポーラ接合トランジスタ）」

学習目標

• 大地接続がない場合の回路「グラウンド」の役割を理解する
• シャント抵抗を用いて電圧計で電流を測定する
• 増幅器電圧利得を決定する
• 増幅器電流利得を決定する
• 増幅器におけるインピーダンス変換を探る

回路図

 

 

イラスト

 

 

手順

選択したトランジスタがここで示したピン配置を共有しない可能性があるため、イラストのブレッドボードレイアウトは調整が必要かもしれません。図では、すべてのTO-92トランジスタを左から右へ「CBE」——コレクタ、ベース、エミッタ——でラベル付けしています。これは2N2222と類似品に適用されますが、すべてのNPNデバイスに当てはまるわけではありません。使用する特定コンポーネントのピン割り当てを確認してください。

バイポーラ接合トランジスタでは、マルチメータでピン配置を素早く確認できます。電圧フォロワーは、構築が最もシンプルで安全なトランジスタ増幅器です。

その目的は、入力と同じ電圧を負荷に供給するが、著しく高い電流能力で供給することです。電圧利得はありませんが、大幅な電流利得を提供します。

回路図では、電源の負極が「グラウンド」としてマークされています。この基準点は必ずしも大地に接続されているわけではなく、単に回路の電圧基準を定義するものです。

例えば、ベース電圧（V_B）はこのグラウンド基準に対して測定されます。単一点での電圧を語ることは通常意味をなしませんが、共通基準点があればそのような記述が有用になります。

 

 

回路を構築し、複数のポテンショメータ設定で出力電圧と入力電圧を記録。入力電圧はポテンショメータワイパーのグラウンドに対する電圧；出力電圧は負荷抵抗（またはエミッタ電圧）両端の電圧です。

入力変化に対してほぼ同等の出力変化が観察され、トランジスタ飽和による小さなドロップ（~0.6V）があることを確認できるはずです。この1:1関係は、AC電圧利得が約1（ユニティ）であることを示します。

次に、ベース電流（入力）と負荷電流（出力）を比較。電流計を挿入する代わりに、1kΩ抵抗両端の電圧を測定し、オームの法則（I=E/R）を用います。1kΩ抵抗なら、電圧降下1Vあたり1mAが流れます。

最大精度のため、各抵抗の実測値を使用するのが望ましいですが、この実験では変動は通常無視できます。これらのシャント抵抗は電流を測定可能な電圧に変換します。

入力電流と出力電流の間に大きな差があることがわかります——低信号レベルでは電流利得が200を超えることがよくあります。これが電圧フォロワーの核心的利点です：電圧を変えずに電流を増幅します。

インピーダンスの観点では、増幅器は高入力インピーダンス（最小電流消費）と低出力インピーダンス（大電流供給能力）を呈します。これは段間の信号バッファリングに理想的です。

コンピュータシミュレーション

ノード番号付きSPICE回路図：

 

 

ネットリスト（以下を.cirファイルにコピーしSPICEで実行）：

 Voltage follower
v1 1 0
rpot1 1 2 5k
rpot2 2 0 5k
rbase 2 3 1k
rload 4 0 1k
q1 1 3 4 mod1
.model mod1 npn bf=200
.dc v1 12 12 1
.print dc v(2,0) v(4,0) v(2,3)
.end 

シミュレーション出力：入力電圧5.937V、出力5.095V、入力電流25.35µA（1kΩベース抵抗から）、出力電流5.095mA（1kΩ負荷から）。ポテンショメータ値（R_pot1とR_pot2）を合計10kΩで保ちながら調整すると、入力電圧がそれに応じて変化します。

関連ワークシート

• Bipolar Transistor Biasing Circuits Worksheet