アナログ電子回路 名城大学 理工学部 材料機能工学科 岩谷 素顕 E-mail: [email protected] 7-1 内容 hパラメータを使った回路の解析 RC結合増幅回路の解析 7-2 演習 下に示すエミッタ接地回路について、次の問いに答えよ。（解答に 単位を記入すること） （１） エミッタバイアス電流IE、VC、VCE、VEを求めよ。hFE=200、 hIE=2.9k、 VBE=0.6V、 hOEおよびhREは 0 とする。 （２） 交流信号に対する実用等価回路を書き、電圧利得Av、および入力イ ンピーダンスZiを計算せよ。hfe=200、hie=2.9k、Vbe=0.6V、 hoeおよびhreは 0 とする。また、コンデンサのインピーダンスは十分に低いものとする。 IC RC 3.9k R1 120k VCC=18V VC IB VCE Vi R2 24k RE 1k IE VE RL 10k VO 7-3 1 言葉の問題 エミッタバイアス電流⇒エミッタ電流の直流成分 7-4 直流的には、コンデンサのリアクタンスは無限大に なるので、まず、直流信号等価回路を書く VCC=18V IC RC 3.9k R1 120k R1 VC VCC IC IB RC IB VCE Vi R2 24k 7-5 RE 1k IE VE RL 10k VO RE R2 IE 直流動作回路 直流信号等価回路 開放 この回路の解析：テブナンの定理を使う 図(a)のように多数の電源を含む回路の端子n-n’より左 側の部分は、図(b)のように等価表現できる。 n Zo I ZL 回路 ZL n’ (a) n I Vo n’ (b) 等価回路 7-6 2 ZOおよびVOの求め方 ステップ１ ： 注目する部品にかかる電圧Ｖを求める ステップ２ ： 電源を短絡した状態で、注目部品以外の合成 抵抗を求める ステップ３ ： 合成抵抗と注目部品と電圧Ｖの電源が直列回 路を構成していると仮定して、注目部品に流れ る電流を求める 短絡 Vo 回路 短絡 Zo 回路 開放 (d) Zoを求める回路 (c) Voを求める回路 7-7 テブナンの定理を使う。 テブナンの定理から下の等価回路が使えるので VBB R2 VCC R1 R2 7-8 解き方 電位差18V IC RC IB RB VBB VCC 青線のキルヒホッフの式を立てる ① またICとIBの関係は IC= ② IB、IC、IEを求める。 RE VC、VEを求める。 IE VCEを求める。 7-9 3 青線のキルヒホッフの式を立てる VBB=RBIB+VBE+ (IB+IC) RE ① 電位差18V VCC IC RC IB RB VBB またICとIBの関係は IC=hfeIB ② ②を①に代入すると hFE (VBB VBE ) 2.17[ mA] ( RB RE hFE RE ) I I B C 10.9[ A] hFE IC RE IE=IB+IC=2.18[mA] VC=RCIC=3.9k×2.17mA=8.46[V] IE VE=REIE=1k×2.18mA=2.18[V] 18=VC+VCE+VE ⇔VCE=18-VC-VE=7.36[V] 7-10 次にこの回路の増幅率を求める 交流信号等価回路⇒hパラメータを用いた実用等価回路に 書き換えて考える 7-11 交流信号等価回路を書きかえる 電圧源短絡 IICC RRCC 3.9k 3.9k R11 120k IIB B Vi V i R2 R 24k2 24k 並列 VVCCCC =18V =18V VVCC RR1 1 120k 120k IIB B VVCE CE RRE E 1k 1k IE IE VVE E 短絡して考える 同電位 IIC C RRC C 3.9k 3.9k RRL L 10k 10k V Vii RR22 24k 24k VV O O V VCC 並列 V VCE CE RRE E 1k 1k IIE E V VEE RRL L 10k 10k V VOO 変形した回路を書きなさい 7-12 4 さらに書き換え ⇒hパラメータを使った実用等価回路 B vbe ic ib C hfe･ib Rac vce hie hie vi RC Vi R 1 R2 hhｆｅfe･･iIbB iIbB E E RC RL V o R1 R2 vo RL RE (1+hfe)･ib･RE RE hfe>>100 7-13 さらに回路を書き換えて Rac hfe･ ib ib hie vi R1 RC hfe･ib･RE R2 hfeRE vo RL RE hfe･ib･RE 7-14 入力インピーダンスとは？ 入力インピーダンス Zi ＝ RA//RB // (hie＋hfeRE) ≒ RA//RB // hfeRE ただしhie <<hfeRE Rac 入力インピーダンス =合成抵抗 hfe･ ib ib hie vi RC R1 R2 hfeRE RE vo RL 7-15 5 入力インピーダンスZiは? Zi ＝ RA//RB // (hie＋hfeRE) ≒ RA//RB // hfeRE ただしhie <<hfeRE 1 1 1 1 1 1 1 1 RA RB h fe RE 2000 10000 200 500 7-16 電卓に慣れましょう！！ 1 1 18.1[k] 1 1 1 1 1 1 R1 R2 h fe RE 120000 24000 200 1000 7-17 電圧増幅率Avは？ Av vo vi Rac vi:この電位差 hfe･ ib ib hie vi RC R1 R2 hfeRE RE vo RL この電位差 7-18 6 v i hie h fe RE ib viはいくらか？ Rac hfe･ ib ib hie vi RC R1 R2 hfeRE vo RL RE 7-19 voはいくらか？ v O RL h feib RC RC RL Rac hfe･ ib ib hie vi RC R1 R2 hfeRE RE vo RL i RL i h feib RC RC RL 7-20 AVはいくらか？ AV ＝ vo/ vi RC RL h fe RC RL hie h fe RE RC RL 3.9k 10k 2.8[倍] 9[dB ] ( RC RL ) RE (3.9k 10k ) 1000 7-21 7 増幅度について注目 RC RL h fe RC RL Av hie h fe RE RC RL 2.8[倍] ( RC RL ) RE 増幅率にマイナスがつく理由 グランド（基準電位）を統一しているため、位相が180度 ずれているため 7-22 増幅度について注目 RC RL h fe RC RL Av hie h fe RE RC RL 2.8[倍] ( RC RL ) RE 増幅度は2.8倍と言うのは余り大きくない 増幅度を上げて、且つ回路の安定度は下げたくない 7-23 電流帰還バイアス回路 Siを用いた増幅回路では主流（安定性が高いため） 何故回路の安定性が良いか？ IC RB ICが増加すると RC VCC IB VBE VBB RA IE V CE RE IA 電圧を制御 REでの電圧降下↑ VBEが減少⇒IC↓ 増加を抑制して、安定度が向上 通常REに掛かる電圧は (約1/5～1/10)VCC IAはIBの約10倍に設計する 7-24 8 電流帰還バイアス回路 Siトランジスタとして最も 標準的な回路 IA>>IBに設計されていれば 赤色のループを考えて VCC RB RA I A I A IC RB RC VBB VCC IB IE VBE VBB RA VCC RB RA RA VCC RB RA 青色の 青色のループを考えて プを考えて VBB VBE RE I B I C VBE RE I C VCE RE VBB IA ここは無視できる 7-25 RA VCC VBE RE I C RB R A IC 1 RE RA VCC VBE RB RA ICはhFEに依存しない⇒安定な回路 電流帰還バイアス回路 安定度を決めているのは・・・ 直流電圧源 IC RB RC VCC IB IE VBE VBB RA 直流成分ではREがあることに よって安定度が向上している VCE RE 電圧増幅率（交流）は IA Av RC RL h fe /( hie h fe RE ) RC RL これを0にしたい hfeは0ではないのでRE→0にしたい 7-26 バイパスコンデンサを使う IC RC R1 VCC VC IB 直流信号等価回路 交流信号等価回路 VCE Vi R2 RE 直流:開放 交流:短絡 Vo VE を書きなさい IE この回路をRC結合増幅回路と呼ぶ 7-27 9 バイパスコンデンサを使うメリットは？ 演習をやりながら考えてみましょう 7-28 演習 次の回路の直流信号等価回路および交流信号等価回路を 書きなさい。（コンデンサのリアクタンスが小さいとする） IC R1 VCC RC IB R2 Vo RE IE 7-29 考え方： R1 R1 IC RIC C IB IB R2 R2 VCC VCC 直流の場合は開放 RC RE R IE E IE Vo Vo 交流の場合は短絡 7-30 10 解答 VCC IC R1 RC IB RC Vi R1 R2 Vo RE R2 IE 交流信号等価回路 直流信号等価回路 7-31 RC結合増幅回路の増幅度は？ IC R1 VCC RC 直流信号等価回路 電流帰還バイアス回路 と同じ IB 交流信号等価回路 Vo RE R2 どうなるのか？ IE 7-32 RC結合増幅回路において hパラメータ等価回路を書きなさい IB hｆｅ･ IB hie vi RC vo RA RB エミッタ接地等価回路 7-33 11 電圧増幅率はどうなるか？ 電圧増幅率 hｆｅ･ IB IB hie vi vo＝-RC・hfe・ ib vi＝hie・ ib より vo RC RA RB Av RC h fe ib hie ib RC h fe エミッタ接地等価回路 hie 7-34 演習 下に示すエミッタ接地回路について、次の問いに答えよ。（解答 に単位を記入すること）。電圧利得Av、および入力インピーダンスZiを 計算せよ。hfe=200、hie=2.9k、Vbe=0.6V、 hoeおよびhreは 0 とする。ま た、コンデンサのインピーダンスは十分に低いものとする。 IC RC 3.9k R1 120k VCC=18V VC IB VCE V vii R2 24k RL 10k RE 1k IE vo VE 7-35 ib hfe･ib hie vi RC RL vo RA RB 入力インピーダンス 電圧増幅率 Zi ＝ R１//R２ // hie 1 2.53[k] 1 1 1 R1 R2 hie 7-36 vo RC RL h fe ib RC RL vi＝hie・ ib より Av RC RL h fe RC RL hie 193倍 12 周波数依存性 コンデンサが無視できない場合はどうなるのか？ 7-37 低周波数の場合どうなるか？ ⇒増幅率が下がる。なぜか？ 周波数[Hz] Frequency (Hz) Circuit3-Small Signal AC-14-Graph 1.0 10.0 100.0 1.0k 10.0k 100.0k 1.0Me -20.0 Trの性能 浮遊容量(寄 容量) 浮遊容量(寄生容量) ミラー効果 利得[dB B] -25.0 増幅率が下がる -30.0 30 0 -35.0 -40.0 -45.0 -50.0 -55.0 7-38 -60.0 FREQ 3.493k DB(v(IVm1)) -43.545 DB(v(IVm3)) -17.705 D(FREQ) 2.757 D(DB(v(IVm3))) 0.0 RC結合増幅回路における周波数依存性 IC RC R1 VCC 交流成分は 通常無視できる VC IB VCE Vi R2 RE IE 7-39 Vo VE 低周波数では無視できない Z →大 Z→0 1 jC →小 Z→有限の値 13 結合コンデンサの影響 結合コンデンサ VCC IC RC R1 CB VC CC 結合コンデンサを考慮に入 れて交流信号等価回路を 書いてみる IB VCE Vi R2 Vo RE VE IE 7-40 コンデンサまで含めたhパラメータ等価回路 CB CC hfe･ib ib hie vi RC RL vo RA RB Rt=RA//RB//hie ≒hie 7-41 RA、RBはhieに比べて非常に大きい 入力側はどうなるか？ CB RA、RB>>hieなのでRA、RBは無視して i 1 ibl v i hieibl bl hie ib jC B jC B hie vi RA RB ibl vi 1 hie jC B vi hiei 1 1 1 1 jhieC B CBが無視できる時のibは ib 無視 7-42 したがって、 ibl vi hie ib 1 1 jhieC B 14 低域遮断周波数 ibl ib 1 1 jhieC B ib となるときの周波数fを求める 2 この時のfを低域遮断周波数flと呼ぶ ここで ibl ここで、 ibl ib ib 2 1 1 1 hieC B 2 1 2f l hieC B 2 2 fl 1 2hieC B 7-43 出力側についても見てみると CC CC hfe･ib RC RC RL RL vo vo hfe･ib･ RC 電圧源と電流源の等価変換 7-44 出力側は？ CC icl RC RL hfe･ib･ RC vo h fe ib RC RL RC icl icl jCC 1 icl RL RC jCC h fe ib RC icl 1 RC RL jCC h fe ib RC RC RL 1 1 1 jhie RC RL CC 1 7-45 低域遮断周波数flは f l 2 R R C C L C 15 バイパスコンデンサ：CEに注目してみると 無視 hfe･ib ib hie vi RL RC RA RB RE vo CE ここだけで考えると・・・・ 7-46 等価回路で考える v i hieibl 1 h fe RE ibl hie vi (1+hfe)RE 7-47 CE/(1+hfe) ibl 1 jC E RE 1 h fe RE i hie bl jC E RE 1 vi ibl 1 h fe RE hie 1 jC E RE vi hie 1 1 1 h R fe E h jC h R ie E ie E インピーダンス が(1+hfe)倍 hie 1 h fe RE 低域遮断周波数flは f l 2C E RE hie まとめ fl 1 2hieC B 結合C（入力） fl 1 2 RC RL CC 結合C（出力） fl hie 1 h fe RE 2C E RE hie バイパスC これらを比較して、低域遮断周波数を決める 7-48 16 下記の回路でCB=0.1[F]の場合と1[F]の場合の低域遮 断周波数を求めなさい。 ただし、hie=20.2[k]とする。また、 R1,R2はhieより十分大きいとする。またCC、 CEも十分大き いとする。 IC RC R1 CB VCC VC CC IB VCE =2f Vi R2 RE CE Vo VE IE 7-49 解答例 f 1 に代入する。 2hieC B CB=0.1F 78.8[Hz] CB=1F 7.9[Hz] 7-50 その他の代表的な増幅回路 エミッタフォロア回路 IC RB VCC IB VB vi RC ここで出力を取り出す RA RE IA Vo 7-51 17 hパラメータ等価回路を書いてエミッタフォロ アの増幅率Avを計算しなさい vi=(hie+RE×(1+hfe))・ ib Rac Av hhｆｅfe･･iIbB iIbB RE (h fe 1) hie RE (h fe 1) 1 hie vi RC R1 R2 RE vo RL vo=(1+hfe)･ib･RE この回路のポイント：ほとんど増幅しない なぜ必要なのか？ 7-52 エミッタフォロアのポイント 入力インピーダンス Zi ＝ RA//RB // (hie＋hfeRE) 出力インピーダンス Z o Avef vi ie vi vi h ie (1 h fe ) ib (1 h ) vi h fe fe hie Rac 出力インピーダンス 入力インピーダンス Zi:大きい Zo：小さい hfe･ ib ib hie vi RC R1 R2 hfeRE RE vo RL 7-53 エミッタフォロワの用途 通常増幅回路では多段に使うことが多い 第1段 増幅回路 第2段 増幅回路 第1段増幅回路と第2段増幅回路で互いに干渉して 十分な増幅率が稼げないことが多い 7-54 18 エミッタフォロワの用途 通常増幅回路では多段に使うことが多い 入力インピーダンスが大きいので 第1段の増幅に影響を与えにくい 第1 段 増幅回路 タ エミッタ フォロワ 第2段 増幅回路 出力インピーダンスが小さいので 出力電圧が変化しにくい 7-55 まとめ hパラメータを使った回路解析 RC結合増幅回路とは？ 周波数依存性 エミッタフォロア等 7-56 19
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