エミッタフォロワ回路マスター：インピーダンス整合と電流利得の実践ガイド

あなたの電子工作プロジェクトでインピーダンス整合が必要ですか？それとも、入力からわずかな電流しか引き出さないトランジスタ回路が必要ですか？つまり、電流利得と電力利得を提供する入門的なアンプ回路をお探しなら、まさにうってつけの記事です。その理想的なアンプ回路がエミッタフォロワ回路です。

そして何より：

エミッタフォロワの動作原理を包括的に解説します。回路の構築方法、応用例なども詳しく紹介します。

始めましょう！

エミッタフォロワ回路とは？

エミッタフォロワレギュレータ

出典：Wikimedia Commons

エミッタフォロワは、BJT（バイポーラ接合トランジスタ）構成でエミッタ端子を出力として使用したときに得られるネットワークです。この構成では、入力ベース信号が出力電圧よりわずかに高くなります。これは固有のベース-エミッタ間順方向電圧降下によるものです。

つまり、この単一トランジスタ回路のエミッタ負荷は、トランジスタのベース電圧に追従します。エミッタ端子の出力は、常にベース電圧からベース-エミッタ接合の順方向降下電圧を引いた値と等しくなります。

通常、BJTのコレクタをゼロ供給レール（グランド）に接続すると、ベースには約0.7Vまたは0.6Vが必要です。この電圧でデバイスがコレクタ-エミッタ間で完全にスイッチング（オン）されます。これがトランジスタの標準的なエミッタ接地動作モードです。

NPN構造バイポーラ接合トランジスタ

出典：Wikimedia Commons

この0.6〜0.7VがBJTの順方向電圧値です。興味深いことに、この構成では負荷が常にデバイスのコレクタ端子に接続されます。また、BJTのベース電圧がエミッタ電圧より0.6V高い限り、デバイスは最適に飽和・順バイアス・オン状態になります。

エミッタフォロワトランジスタの主要特徴

1. コレクタ電流源はエミッタ電流と等しいため、コレクタを正電源レールに直接接続すれば、構成は電流豊富になります。
2. 負荷をグランドとエミッタの間に接続すると、ベースに高インピーダンスが現れず、ベース回路が広範囲の電流から保護されます。したがって、保護用の高抵抗は不要です。また、ベース端子がエミッタを介してグランドレールに接続される脆弱性もありません。
3. ベース-エミッタ接合電圧を変化させると、エミッタ電圧も追従して変化します。

エミッタフォロワ回路の動作原理

エミッタフォロワ図

出典：Wikimedia Commons

典型的なエミッタフォロワ回路の電圧利得は約1（Av ≒ 1）です。しかし、コレクタ電圧応答の観点では、エミッタ電圧は入力ベース信号(Vi)と同位相です。

したがって、出力信号と入力信号は、正・負のピークレベルを瞬時に再現し合います。また、Vo（出力信号レベル）がVi（入力信号レベル）を、同位相関係で追従することから「エミッタフォロワ」と名付けられています。

このエミッタフォロワ構成は、出力側で低インピーダンス、入力側で高インピーダンスの特性を持ち、インピーダンス整合に利用できます。この特性は、固定バイアス入力回路構成とは正反対です。

エミッタフォロワ回路の作り方

エミッタフォロワ回路図

出典：Wikimedia Commons

エミッタフォロワ回路を構築する前に、以下の要素を考慮する必要があります。例えば、トランジスタを流れる電流、入力されるAC信号の周波数カットオフ、トランジスタのコレクタに供給するDC電圧などです。

必要な部品は以下の通りです。

• ワイヤー
• 負荷抵抗
• 抵抗（3.3kΩ）
• +15V、-15V、グランド出力を持つ電源
• NPNトランジスタ（2N3904）
• 電圧低下する信号源（サギング電圧源）

手順

ステップ1

エミッタフォロワ回路図を参照し、以下を実行します。

1. トランジスタを正しく配置し、コレクタを+15Vに接続。トランジスタのデータシートでピン配列を確認してください（機種により異なる場合があります）。
2. エミッタを3.3kΩ抵抗を介して-15Vに接続。
3. トランジスタのベースにサギング信号源を接続。
4. 負荷をトランジスタのエミッタに接続。

ステップ2

NPNトランジスタのコレクタとベースに適切な電圧範囲を供給することが重要です。トランジスタのベースに電圧信号を入力すると、トランジスタは負荷電流の流れを許可します。内部電流が以下の条件を満たすまで調整されます。

1. ベース電圧がエミッタ電圧より0.6V高くなること
2. 電流の約99%がコレクタから供給され、エミッタから流れ出る電流のうちベースから来るのは約1%のみ

第1条件が、エミッタフォロワの出力信号が入力を追従する理由です。第2条件が、エミッタフォロワがいかにサギング（電圧低下）を軽減するかを説明します。エミッタフォロワは負荷に大電流を供給しながら、サギング電圧源からはわずかな電流しか引き出しません。ベース電流がエミッタ電流の1%しかないため、同じ負荷インピーダンスでの電流引き出しでも、電圧源のサギング量は1/100に抑えられます。つまり、エミッタフォロワは電圧源のテブナン等価抵抗を100分の1に低減させます。

ステップ3

何らかの理由でエミッタフォロワのトランジスタが上記条件を満たせない場合、クリッピングが発生します。トランジスタペアが調整可能なのは、出力電圧が回路の右側に電流を送り出す方向のときのみです。トランジスタから電流供給があるとき、出力電圧(V_OUT)が上昇し、ベース電圧より0.6V低くなるまで続きます。

しかし、電流はトランジスタのエミッタからしか流れ出せず、トランジスタが完全にカットオフしない限りV_OUTを下げることはできません。トランジスタから電流が出なくなると、2つの抵抗（3.3kΩ）による分圧回路が残ります。両抵抗は-15Vとグランドの間に接続されています。

この時点で分圧回路は出力電圧を-7.5Vに調整します。トランジスタがV_OUTをこれ以上下げられないため、信号は-7.5Vでクリッピングされます。また、トランジスタはコレクタからエミッタへのみ電流を流せるため、エミッタ電圧がコレクタ電圧（+15V）を超えることはできません。したがって、出力は+15Vを超えられず、上側でもクリッピングが発生します。

共通エミッタ(CE)回路とエミッタフォロワ回路の違い

共通エミッタ (CE)	エミッタフォロワ回路
電圧利得を得るためのシンプルなデバイス	電圧バッファとして効果的。負荷駆動に適する
出力を取ると約2倍の利得を得られる	出力信号は入力とほぼ同位相。利得はほぼ1

用途

エミッタフォロワ回路は以下の用途で使用できます：

• アンテナチューナー
• 音響ホーン
• バラン（平衡-不平衡変換器）
• シンプルなモーター速度コントローラー
• Hi-Fiパワーアンプ
• シンプルな可変電源
• 信号発生回路

まとめ

エミッタフォロワ回路は、低出力インピーダンスと高入力インピーダンスを持つため、インピーダンス整合に最適で、多くの用途に使用できます。構築も構造の詳細を理解し、本記事の手順に従えば容易です。

回路構築でお困りですか？またはあなたのプロジェクトに最適なエミッタフォロワ回路をお探しですか？ぜひご相談ください。