トランジスタバイアスの計算
トランジスタスイッチング回路はバイアスなしで動作しますが、アナログ回路がバイアスなしで動作することは珍しいことです。数少ない例の1つは、増幅されたAM（振幅変調）検出器を備えた「TROne、1トランジスタラジオ」TR One、Ch9です。その回路のベースにバイアス抵抗がないことに注意してください。このセクションでは、選択したエミッタ電流IEを設定できるいくつかの基本的なバイアス回路について説明します。必要なエミッタ電流IEが与えられた場合、必要なバイアス抵抗の値、RB、REなどは何ですか？
ベースバイアス抵抗
最も単純なバイアスが適用されます ベースバイアス ベースとベースバッテリー間の抵抗V BB 。 新しいバイアス電源の代わりに既存のVCC電源を使用すると便利です。ベースバイアスを使用したオーディオアンプステージの例は、「1つのトランジスタを備えた鉱石ラジオ」です。 。 。 」鉱石ラジオ、第9章。ベースからバッテリー端子までの抵抗に注意してください。同様の回路を下の図に示します。下の図に、バッテリー、RB、およびトランジスタ上のVBEダイオードドロップを含むループに関するKVL（キルヒホッフの電圧法則）の式を記述します。実際にはVCCですが、ベース電源にはVBBを使用していることに注意してください。 βが大きい場合、IC =IEと近似できます。シリコントランジスタの場合VBE≅0.7V。
ベースバイアス
シリコン小信号トランジスタは通常、100〜300の範囲のβを持っています。
計算例：
β=100のトランジスタがあるとすると、1mAのエミッタ電流を生成するために必要なベースバイアス抵抗の値はどれくらいですか？ RBのIEベースバイアス方程式を解き、β、VBB、VBE、およびIEを代入すると、930kΩが得られます。最も近い標準値は910kΩです。
910kΩ抵抗のエミッタ電流はどれくらいですか？ランダムにβ=300トランジスタを取得した場合のエミッタ電流はどれくらいですか？
標準値の910kΩ抵抗を使用しても、エミッタ電流はほとんど変化しません。ただし、βが100から300に変化すると、エミッタ電流は3倍になります。コレクタ電圧がVCCの近くからグランドの近くまでスイングすると予想される場合、これはパワーアンプでは受け入れられません。ただし、マイクロボルトから約ボルトまでの低レベル信号の場合、バイアスポイントは（100・300）=173の平方根のβの中心に置くことができます。バイアスポイントはまだかなりの量だけドリフトします。ただし、低レベルの信号はクリップされません。
ベースバイアスは、パワーアンプで使用されるような高エミッタ電流には適していません。ベースバイアスされたエミッタ電流は温度安定性がありません。
熱暴走 高いエミッタ電流が温度上昇を引き起こし、それがエミッタ電流の増加を引き起こし、それがさらに温度を上昇させた結果です。
コレクター-フィードバックバイアス
下図のように、ベースバイアス抵抗のVBB端をコレクタに移動することにより、温度とベータによるバイアスの変動を減らすことができます。エミッタ電流が増加すると、RCの両端の電圧降下が増加し、VCが減少し、ベースにフィードバックされるIBが減少します。これにより、エミッタ電流が減少し、元の増加が修正されます。
バッテリー、RC、RB、およびVBEドロップを含むループに関するKVL方程式を記述します。 IC≅IEとIB≅IE/βを置き換えます。 IEを解くと、IECFBバイアス方程式が得られます。 IBを解くと、IBCFBバイアス方程式が得られます。
コレクターフィードバックバイアス。
計算例：
1 mAのエミッタ電流に必要なコレクタフィードバックバイアス抵抗、4.7Kのコレクタ負荷抵抗、およびβ=100のトランジスタを見つけます。コレクタ電圧VCを見つけます。 VCCとグランドのほぼ中間にある必要があります。
460kΩコレクタフィードバックバイアス抵抗に最も近い標準値は470kΩです。 470KΩ抵抗でエミッタ電流IEを見つけます。 β=100およびβ=300のトランジスタのエミッタ電流を再計算します。
ベータが100から300に変化すると、エミッタ電流が0.989mAから1.48mAに増加することがわかります。これは、1.02mAから3.07mAに増加した以前のベースバイアス回路からの改善です。コレクターのフィードバックバイアスは、ベータ変動に関してベースバイアスの2倍安定しています。
エミッタバイアス
下の図のようにエミッタ回路に抵抗REを挿入すると、 縮退が発生します。 、ネガティブフィードバックとも呼ばれます 。これは、温度変化、抵抗許容誤差、ベータ変動、または電源許容誤差によるエミッタ電流IEの変化に対抗します。一般的な許容誤差は次のとおりです。抵抗— 5％、ベータ— 100-300、電源— 5％。なぜエミッタ抵抗が電流の変化を安定させるのでしょうか？ REの両端の電圧降下の極性は、コレクターバッテリのVCCによるものです。 （-）バッテリー端子に最も近い抵抗器の端は（-）で、（+）端子に最も近い端は（+）です。 REの（-）端は、VBBバッテリーとRBを介してベースに接続されていることに注意してください。 REを流れる電流が増加すると、ベース回路に印加される負の電圧の大きさが増加し、ベース電流が減少し、エミッタ電流が減少します。この減少するエミッタ電流は、元の増加を部分的に補償します。
エミッタバイアス
上の図では、ベースにバイアスをかけるために、VCCの代わりにベースバイアスバッテリーVBBが使用されていることに注意してください。後で、エミッタバイアスがより低いベースバイアスバッテリでより効果的であることを示します。一方、コンポーネントの極性に注意しながら、ベース-エミッタ回路を通るループのKVL方程式を記述します。 IB≅IE/βに置き換え、エミッタ電流IEを解きます。この方程式はRBについて解くことができます。方程式：RBエミッタバイアス、上の図。
方程式を適用する前に：RBエミッタバイアスとIEエミッタバイアス、上の図では、RCとREの値を選択する必要があります。 RCは、コレクタ電源のVCCに関連しており、必要なコレクタ電流ICは、ほぼエミッタ電流IEであると想定しています。
通常、VCのバイアスポイントはVCCの半分に設定されます。ただし、エミッタ抵抗REの両端の電圧降下を補償するために高く設定することもできます。コレクタ電流は、私たちが必要または選択するものです。アプリケーションとトランジスタの定格に応じて、マイクロアンペアからアンペアまでの範囲になります。小信号トランジスタ回路に典型的なIC =1mAを選択します。
計算例：
RCの値を計算し、近い標準値を選択します。通常、コレクタ負荷抵抗の10〜50％のエミッタ抵抗が適切に機能します。
RBに対して883kの抵抗が計算され、870kが選択されました。 β=100の場合、IEは1.01mAです。
β=300の場合のエミッタ電流を以下の表に示します。
β=100、β=300のエミッタ電流の比較。
上の表は、VBB =10Vの場合、エミッタバイアスがエミッタ電流を安定させるのにあまりうまく機能しないことを示しています。エミッタバイアスの例は、前のベースバイアスの例よりも優れていますが、それほどではありません。効果的なエミッタバイアスの鍵は、ベース電源のVBBをエミッタバイアスの量に近づけることです。
エミッタ電流とエミッタ抵抗の積である丸め：IERE =（1mA）（470）=0.47V。さらに、VBE =0.7Vを克服する必要があります。したがって、VBB>（0.47 + 0.7）Vまたは> 1.17Vが必要です。エミッタ電流がずれている場合、この数値は固定ベース電源VBBと比較して変化し、ベース電流IBとエミッタ電流IEが補正されます。 VB> 1.17Vの適切な値は2Vです。
計算された83kのベース抵抗は、以前の883kよりもはるかに低くなっています。標準値のリストから82kを選択します。 β=100およびβ=300の場合の82kRBのエミッタ電流は次のとおりです。
β=100およびβ=300でVBB =2Vのエミッタバイアスのエミッタ電流を下の表の前のバイアス回路の例と比較すると、1.75mAでかなりの改善が見られますが、コレクタの1.48mAほど良くはありません。フィードバック。
β=100、β=300のエミッタ電流の比較。
エミッタバイアスの性能を向上させるには、エミッタ抵抗REを増やすか、ベースバイアス電源VBBを減らすか、またはその両方を行います。
例として、エミッタ抵抗を2倍にして最も近い標準値の910Ωにします。
計算されたRB =39kは標準値の抵抗です。 β=100の場合はIEを再計算する必要はありません。β=300の場合は次のようになります。
910エミッタ抵抗を備えたエミッタバイアス回路の性能は大幅に改善されています。以下の表を参照してください。
β=100、β=300のエミッタ電流の比較。
演習として、エミッタバイアスの例を作り直し、エミッタ抵抗を470Ωに戻し、ベースバイアス電源を1.5Vに下げます。
33kベース抵抗は標準値であり、β=100でのエミッタ電流は問題ありません。 β=300でのエミッタ電流は次のとおりです。
次の表は、運動結果1mAおよび1.38mAを前の例と比較しています。
β=100、β=300のエミッタ電流の比較。
下の図では、精度を高めるために内部エミッタ抵抗を含めて、エミッタバイアスの式が繰り返されています。内部エミッタ抵抗は、トランジスタパッケージに含まれるエミッタ回路の抵抗です。この内部抵抗rEEは、（外部）エミッタ抵抗REが小さい場合、またはゼロの場合でも重要です。内部抵抗REEの値は、エミッタ電流IEの関数です。以下の表を参照してください。
r EE の派生
r EE =KT / I E mここで、K =1.38×10 -23 ワット秒/ o C、ボルツマン定数T =ケルビン単位の温度≅300。 I E =エミッタ電流m =シリコンr EE の場合は1から2まで変化します ≅0.026V/ I E =26mV / I E
参考までに、26mVの近似値は下の図に式rEEとしてリストされています。
内部エミッタ抵抗rEEを含むエミッタバイアス方程式。
上の図のより正確なエミッタバイアス方程式は、KVL方程式を書くことによって導き出すことができます。または、前の図のIEエミッタバイアスとRBエミッタバイアスの式から始めて、REをrEE + REに置き換えます。結果は、上の図の方程式IEEBとRBEBです。
前の例のエミッタバイアスのRB計算を、rEEを含めてやり直し、結果を比較します。
計算にrEEを含めると、次の表に示すように、ベース抵抗RBの値が低くなります。標準値の82k抵抗を上回っているのではなく、下回っています。
計算されたRBに対するrEEの包含の影響
RE用のバイパスコンデンサ
エミッタバイアスの問題の1つは、出力信号のかなりの部分がエミッタ抵抗REの両端でドロップされることです（下の図）。エミッタ抵抗の両端のこの電圧降下は、ベースと直列であり、入力信号とは反対の極性です。 （これは、ゲインが1未満の一般的なコレクタ構成に似ています。）この縮退により、ベースからコレクタへのゲインが大幅に低下します。 AC信号増幅器の解決策は、コンデンサでエミッタ抵抗をバイパスすることです。コンデンサはAC信号に対して短いため、これによりACゲインが復元されます。 DCエミッタ電流は、エミッタ抵抗でまだ縮退しているため、DC電流が安定します。
ACゲインの低下を防ぐには、Cbypassが必要です。
バイパスコンデンサの値は、増幅する最低周波数によって異なります。
無線周波数の場合、Cbpassは小さくなります。 20Hzまで伸びるオーディオアンプの場合、それは大きくなります。バイパスコンデンサの「経験則」は、リアクタンスがエミッタ抵抗の1/10以下でなければならないということです。 コンデンサは、増幅される最低周波数に対応するように設計する必要があります。 20Hzから20kHzをカバーするオーディオアンプのコンデンサは次のようになります。
内部エミッタ抵抗rEEはバイパスコンデンサによってバイパスされないことに注意してください。
分圧器バイアス
安定したエミッタバイアスには、下の図のように、低電圧のベースバイアス電源が必要です。ベース電源VBBの代替は、コレクタ電源VCCに基づく分圧器です。
分圧器バイアスは、ベースバッテリーを分圧器に置き換えます。
設計手法は、最初にエミッタバイアス設計を作成し、次にテブナンの定理を使用してそれを分圧器バイアス構成に変換することです。 【TK1】下図に手順をグラフで示します。値を割り当てずに分圧器を描画します。仕切りをベースから緩めます。 （トランジスタのベースは負荷です。）テブナンの定理を適用して、単一のテブナン等価抵抗Rthと電圧源Vthを生成します。
テブナンの定理は、分圧器を単電源Vthと抵抗Rthに変換します。
テブナンの等価抵抗は、バッテリ（VCC）を0（接地）に減らしたときの負荷点（矢印）からの抵抗です。つまり、R1 || R2です。テブナンの等価電圧は、開回路電圧（負荷が除去された状態）です。この計算は分圧器比法によるものです。 R1は、RthとVthの方程式のペアからR2を削除することによって取得されます。 R1の式は、既知の量Rth、Vth、Vccに関するものです。 RthはRBであり、エミッタバイアス設計のバイアス抵抗であることに注意してください。 R2の式は、R1とRthに関するものです。
この前のエミッタバイアスの例を分圧器バイアスに変換します。
分圧器バイアスに変換されたエミッタバイアスの例。
これらの値は、エミッタバイアスの例として以前に選択または計算されています
VCC、VBB、RBを代入すると、分圧器のバイアス構成にR1とR2が得られます。
R1は220Kの標準値です。 38.8kに対応するR2の最も近い標準値は39kです。これは、IEを計算するのに十分なほどIEを変更しません。 問題の例 1.下図のカスコード増幅器のバイアス抵抗を計算します。 VB2はエミッタ接地段のバイアス電圧です。 VB1は11.5でかなり高い電圧です。これは、コモンベースステージでエミッタを11.5〜0.7 =10.8V、約11Vに保持する必要があるためです。 （RB1の両端の電圧降下を考慮すると、10Vになります。）つまり、コモンベースステージは、抵抗の代わりに、エミッタ接地ステージのコレクタの負荷になります。 1mAのエミッタ電流が必要です。
カスコード増幅器のバイアス。
2.カスコードアンプのベースバイアス抵抗を、20VのVCCで駆動される分圧器バイアス抵抗に変換します。
最終的な回路図は、「実用的なアナログ回路」の章「クラスAカスコード増幅器」に示されています。 。 。 」カスコード、第9章。
レビュー：
- 下の図を参照してください。
- バイアス回路構成を選択
- 目的のアプリケーションにRCとIEを選択します。 RCとIEの値は、通常、コレクタ電圧VCをVCCの1/2に設定する必要があります。
- ベース抵抗RBを計算して、目的のエミッタ電流を実現します。
- 必要に応じて、標準値の抵抗器のエミッタ電流IEを再計算します。
- 分圧器バイアスの場合、最初にエミッタバイアス計算を実行してから、R1とR2を決定します。
- ACアンプの場合、REと並列のバイパスコンデンサによりACゲインが向上します。最も低い周波数にはXC≤0.10REを設定します。
バイアス方程式の要約。
関連するワークシート：
- クラスABJTアンプワークシート
産業技術