BJTバイアス設計のマスター：信頼性の高い増幅のための技術、ヒント、トラブルシューティング

増幅機能を持つ電子回路は、BJTがバイアスを受けるとより効率的に動作します。一般的に、このプロセスは端子に外部電圧を印加してデバイスを所望の状態に切り替えることを含みます。多くの回路設計では、正しい入力電流と電圧レベルを分配するために抵抗器を一般的に使用します。さまざまなBJTバイアス技術は特定の特性を提供し、他はサーマルランアウェイを防ぎます。実際、これは増幅アプリケーションで非常に有用です。

この記事では、BJTバイアスの基礎と回路実装をご案内します。見てみましょう！

BJTバイアスとは？

この画像はバイポーラ接合トランジスタを示しています

出典：Wikimedia Commons

一般的に、トランジスタバイアスは、BJTのベースとエミッタ端子に特定量の電圧を印加し、その効率と性能を向上させることを含みます。この場合、プロセスによりトランジスタがトランジスタ回路でAC入力信号を増幅できるようになります。したがって、BJTをバイアスすると、エミッタ-ベース接合が順バイアス状態に設定されます。一方、ベース-コレクタ接合は逆バイアス状態に設定されます。したがって、アクティブ領域で動作します。

BJTバイアスは、正しい電圧レベルを分配するために抵抗器に依存します

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また、コレクタ抵抗は、ゲルマニウムトランジスタでコレクタ-エミッタ電圧が0.5Vを超え、シリコントランジスタで1Vを超えるような定格であるべきです。

ベータBJT

バイポーラ接合トランジスタにおける電流フロープロセスを示す画像

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ベータ（β）は、ベース電流とそのコレクタ増幅レベルの間のデバイスの全体的な感度を指します。また、デバイスの利得を特定することもできます。例えば、トランジスタのベース電流がβ値がその値と一致する場合、100倍に増幅されます。もちろん、この要因はバイポーラ接合トランジスタが順方向アクティブ状態で動作している間に生成されます。

BJTバイアス回路

増幅目的で有用なBJTバイアス回路のいくつかの例を含めました。

固定バイアス

固定バイアス回路図

回路図で見られるように、ベース抵抗（R_B）がV_CCとベース端子に接続されています。この場合、R_Bの電圧降下によりベース-エミッタ接合が順バイアス状態に設定されます。次の式でI_Bの値が決まります。

固定バイアスタイプ回路では、V_CCとV_BEの両方が固定値を持ちます。一方、R_Bは一定のままです。結果として、I_Bも連続値を持ち、制限された動作点につながります。したがって、このバイアスタイプはβ+1の安定係数により熱安定性が劣ります。

これはトランジスタのβパラメータの予測不可能性により発生します。特に同一モデルとトランジスタタイプでも広く異なる可能性があります。βが変化するとI_Cも変化します。したがって、このβ依存バイアスタイプは、トランジスタ属性と温度変化により動作点の変化を経験する可能性があります。

全体として、固定ベースバイアス回路は最小限のコンポーネントでシンプルな設計に依存します。コース内のR_B値を調整することで、ユーザーはアクティブ領域の動作点を変更できます。また、ベース-エミッタ接合に抵抗器がないため、ソースに負荷がありません。その結果、この回路にはスイッチングアプリケーションがあります。

この回路の電圧と電流の参照式は以下の通りです：

コレクタ-ベースバイアス

回路図はコレクタ-ベースバイアス設計を表しています

このコレクタ-ベースバイアス設定では、2つの抵抗がβの値に関わらずトランジスタのアクティブ領域にDCバイアスを供給します。DCバイアスがコレクタ電圧（V_C）から来るため、優れた安定性を確保します。

電源電圧レール（V_CC）ではなく、ベースバイアス抵抗（R_B）がトランジスタのコレクタ（C）に接続されます。コレクタ電流の増加はコレクタ電圧の低下を引き起こします。効果として、ベースドライブが減少し、コレクタ電流が減少します。これにより、トランジスタのQポイントが固定されたままになります。したがって、コレクタフィードバックバイアス技術はトランジスタを取り囲む負のフィードバックを生成します。これは、R_Bが出力から直接入力を引き出し、入力端子に分配するために発生します。

負荷抵抗（R_L）の電圧降下がバイアス電圧を生成します。したがって、負荷電流の増加は負荷抵抗の両端に大きな電圧降下をもたらします。一方、コレクタ電圧の低下を招きます。その後、ベース電流（I_B）が低下し、I_Cを元の値に戻します。

コレクタ電流の低下は逆の反応を生み出します。この場合、このバイアスアプローチは自己バイアスと呼ばれます。全体として、この設計は多くのアンププロジェクトに優れたアプリケーションを提供します。

コレクタ-ベースバイアスの回路式は以下の通りです：

エミッタ抵抗付き固定バイアス

エミッタ抵抗付き固定バイアス回路図

回路図は、トランジスタのエミッタに外部抵抗（R_E）で接続された固定バイアスネットワークを示しています。V_BEが一定のまま温度が上昇するとエミッタ電流が増加します。しかし、エミッタ電流（I_E）の増加はエミッタ電圧（V_E = I_ER_E）の上昇を引き起こし、ベース抵抗（R_B）の両端の電圧降下を招きます。

以下の式でベース抵抗の両端の電圧が決まります：

一方、ベース電流は以下の式で決定できます：

これはベース電流を減少させ、I_CがI_Bと一致するためコレクタ電流の減少につながります。I_C = α I_E（αは1に等しい）の式がコレクタとエミッタ電流を定義します。その結果、これはエミッタ電流温度の増加を打ち消し、安定した動作点を確保します。トランジスタを代替タイプに置き換えるとI_C値が変わる可能性があります。上記と同じ技術を使用すると、いかなる変化も無効化し、持続的な動作点を維持します。したがって、このバイアスネットワークは固定ベースバイアスネットワークより改善されたサポートを提供します。

全体として、回路はこの式を利用します：

電圧分割バイアスまたはポテンシャル分割

電圧分割回路図

ご覧のように、2つの外部抵抗R₁とR₂がこの回路に統合され、電圧分割器を作成します。このセットアップにより、R₂の両端に生成される電圧がトランジスタのエミッタ接合を順バイアス状態に設定します。全体として、R₂を流れる電流は必要なベース電流の10倍高くなります。

一般的に、このバイアスタイプはV_BEとβの変化がI_Cに影響しないことを意味し、その結果、最大の熱安定性を提供します。温度上昇によりI_CとI_Eが増加します。これによりエミッタ電圧が高くなり、ベース-エミッタ電圧が低下します。その後、ベース電流（I_B）の減少を招き、I_Cを初期状態に戻します。

アンプ利得が減少するにもかかわらず、このバイアス回路は最大化された安定性のために人気のあるアプリケーションを持っています。

回路は以下の式に依存します：

エミッタバイアス

エミッタバイアス設計を示す回路図

上記の回路は、V_CCとV_EEとして知られる2つの電源に依存して動作します。これらは一致するが逆の極性を持ちます。V_EEはベース-エミッタ接合を順バイアス状態に設定します。一方、V_CCはコレクタ-ベース接合を逆バイアス状態に形成します。

また、I_CはV_BEとβではなく、R_E >> R_B/βおよびV_EE >> V_BEに依存できます。そうすることでバランスの取れた動作点が提供されます。

まとめ

ご覧の通り、BJTバイアスはトランジスタが回路で正しく動作し、AC信号増幅を提供することを保証します。これは、トランジスタの動作点に影響を与える抵抗器を選択することで達成されます。また、コレクタ接合は逆バイアス状態に設定され、エミッタ-ベースは順バイアス状態に設定されます。もちろん、回路設計は意図した用途と達成したいことに完全に依存します。

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