負帰還付き高利得マルチステージ共通エミッタ増幅器の設計

このチュートリアルでは、負帰還が如何に高電圧利得を抑制し安定性を改善するかを示す、3段共通エミッタ増幅器を構築します。

部品と材料

• NPNトランジスタ 3個（2N2222または2N3403；Radio Shack #276-1617は便利な15個キット）
• 6V電池 2個（または単一12V電源）
• 10kΩシングルターン直線性ポテンショメータ（Radio Shack #271-1715）
• 1MΩ抵抗 1本
• 100kΩ抵抗 3本
• 10kΩ抵抗 3本

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

• マルチステージ、直結共通エミッタ増幅器回路を設計する
• 増幅器性能への負帰還の影響を理解する

回路図

 

 

イラスト

 

 

手順

3つの共通エミッタ段を直列接続：各トランジスタのコレクタが、10kΩ抵抗を介して次のトランジスタのベースを駆動。この配置で個々の段利得が乗算され、非常に高い全体電圧利得が得られます。

最初は1MΩ帰還抵抗を省略。トランジスタパラメータを最大に設定すると、僅かな入力信号で出力が電源レールで飽和する、ほぼ無限大の利得が見られます。ポテンショメータをアクティブ領域の安定出力に調整できなくても、基本的な反転特性は明確です：入力上昇で出力低下、その逆も然り。

各共通エミッタ段が反転するため、偶数段なら全体は非反転、奇数段なら反転出力になります。入力ポテンショメータをスイープしながら各トランジスタのコレクタ-グラウンド電圧を測定し、入力増加に対して出力が上昇するか低下するか観察して確認してください。

最後のトランジスタのコレクタから最初のトランジスタのベースへ1MΩ帰還抵抗を追加。3段増幅器は反転しているため、帰還信号は本質的に負となり、回路を安定化し、入力変動に対する感度を劇的に低下させます。

帰還ありでは、増幅器はずっと予測可能に振る舞います。入力-出力電圧のテーブルを記録し、電圧利得を計算。帰還抵抗の異なる値を試してください：減らすと利得上昇、増やすと利得低下。結果は、トランジスタ許容差ではなく抵抗値に依存する予測可能な利得になります。

実用的なマルチステージ増幅器には、バイアス安定性のためのエミッタ-グラウンド抵抗、段間容量結合、バイアス用分圧器が組み込まれます。高周波設計では共振コンデンサ付きトランスがよく使われます。それでも、ここで示した原理はオペレーショナルアンプや多くのプロフェッショナル増幅器回路の動作を支えています。

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ファイルにそのままコピー）：

 Multi-stage amplifier
vsupply 1 0 dc 12
vin 2 0
r1 2 3 100k
r2 1 4 10k
q1 4 3 0 mod1
r3 4 7 100k
r4 1 5 10k
q2 5 7 0 mod1
r5 5 8 100k
r6 1 6 10k
q3 6 8 0 mod1
rf 3 6 1meg
.model mod1 npn bf=200
.dc vin 0 2.5 0.1
.plot dc v(6,0) v(2,0)
.end 

このシミュレーションは出力電圧対入力電圧をプロットし、電圧利得を数値計算可能にします。rfの異なる値で実験し、全体利得の変化を観察。利得はr1とrfの抵抗値のみで近似できます。

関連ワークシート

• Multi‑Stage Transistor Amplifiers Worksheet