第 3 章トランジスタと応用 トランジスタは基本的には電流を増幅することができる部品である. アナログ回路では非常に多くの種類のトランジスタが使われる. 1 トランジスタの発明 トランジスタは,1948 年 6 月 30 日に AT&T ベル研究所のウォルター ブラッテン ジョン バーディーン ウィリアム ショックレーらのグループによりその発明が報告され, この功績により 1956 年にノーベル物理学賞受賞. 1947 年 12 月 23 日に発明された最初のトランジスタ ( 複製品 ) 2 1
トランジスタの構成と実物トランジスタは 2 つの pn 接合により作られ, サンドイッチの形で, それぞれを npn トランジスタ, pnp トランジスタという.3 つの 足 をもち, それぞれをエミッタ (E), ベース (B) とコレクタ (C) という. 3 31 npn トランジスタ エミッタとベースの間に順バイアスの電圧, ベースとコレクタの間に逆バイオスの電圧 npn トランジスタでは,B に対しては,E が負,C が正の極性になることが必要である. 4 2
31 npn トランジスタ npnトランジスタのエミッタに多数の自由電子が存 在する. 拡散 (1) エミッタとベースの間に 順バイアスの電圧をかけると, ベースのエミッタの側に多くの電子が集まる. ベースとエミッタの間に電流が流れる. ベースのエミッタ側に電子の濃度が高いので, コレクタ側へ拡散する. 5 31 npn トランジスタ (2) ベースとコレクタの間に逆バイアスの電圧をかけると, 拡散された電子と n 形に存在する電子はますます, 引き寄せられて, コレクタの端子側へ移動する. B C E 結局, 電子はエミッタ ベース コレクタへ移動し, 電流はコレクタ ベース エミッタの方向に流れる. 電流の方向 6 3
31 pnp トランジスタ エミッタとベースの間に順バイアスの電圧, ベースとコレクタの間に逆バイアスの電圧 pnp トランジスタでは,B に対しては,E が正,C が負の極性になることが必要である. 7 31 pnp トランジスタ pnp トランジスタのエミッタに多数の正孔が存在する. (1) エミッタとベースに順バイアス電圧をかけると, 正孔がベースのエミッタ側に集まり, そして, コレクタ側へ拡散する. したがって, ベースとエミッタの間に電流も流れる. 8 4
31 pnp トランジスタ 電流の方向 ベースのコレクタの間に, 逆バイアスの電圧を加え, 拡散された正孔と p 形に存在する正孔がますます, 引き寄せられて, コレクタの端子側へ移動する. 電流がエミッタ ベース コレクタへ流れる. 9 トランジスタの原理と主な用途 原理 :npn または pnp トランジスタは, エミッタとベース間の電流が変わると, エミッタとコレクタ間の電流はこれに従って大きく変わる. これをトランジスタ作用という. 主な用途 (1) エミッタとベース間のわずかな電流変化 ( 入力信号とする ) で, エミッタとコレクタ間の電流 ( 出力とする ) が大きく変化するので, 増幅作用が得られる その倍率は数十から数百にまで及ぶ (2) エミッタとベース間のわずかな電流を ON / OFF することで エミッタとコレクタ間の大きな電流の ON / OFF の制御ができるので, スイッチング作用が得られる. 10 5
32 トランジスタの動作トランジスタの使い方によって, 次の3 種類の接地方式がある. それぞれをベース接地, エミッタ接地とコレクタ接地という. この中で, 多く用いられているのは, エミッタ接地方式である. 最も多く使っているのは, npn トランジスタエミッタ接地方式である. 11 32 トランジスタの動作 npn トランジスタのエミッタ接地方式を用いて, トランジスタの動作を説明する. E B C エミッタとコレクタ間に, 電圧 V CE ( エミッタ側に ) をかける. エミッタの電子がコレクタ側 () に引き寄せられてベースに流れ込み, そこにある正孔と結合する. ベース層は極めて薄いので, 正孔は数に限りがあり, 全てが寄せられてきた電子と結合してしまい, ベース内にキャリアが存在しなくなる ( 空乏層形成 ). その結果, 電子の移動が停止するので, 電流は流れない. 12 6
32 トランジスタの動作 E B C エミッタとベース間に電圧 V BE ( エミッタ側にー, 順バイアス ) をかけると, エミッタに存在する電子がベースに向かい移動し, 一部の電子はベース内の正孔と結合する (I B の形成 ) が, ベースは非常に薄い層であるため, 大部分の電子はコレクタに引き寄せられてベースを通過してしまう. 結果, 電流がトランジスタ全体に流れる.(I E =I B I C ) 13 32 トランジスタの動作 I C I C I B 電子の流れ エミッタとコレクタ間の電流 I C はエミッタとベース間の電圧 ( 電流 I B ) に従って変化することになる. したがって,I C は I B に制御されていると考えられる. I B の小さい変化で,I C の大きな変化が得られる. 14 7
エミッタ接地 npn トランジスタの特性 入力 (V BE I B ) 特性 :V BE が約 0.6V を超えると, V BE の小さい変化で, 電流 I B が急激に増加. 出力 (V CE I C ) 特性 :I B が小さく変化しても,I C が大きく変わる. また,V CE の変化により,I C はあまり変化しない. 15 エミッタ接地 npn トランジスタの特性 拡大 V BE I C の特性 :V BE が微小の変化で,I C が大きく変わることが見られる. 16 8
電流増幅率 ベース接地の場合, 電流増幅率の定義 : コレクタ電流の変化量 エミッタ電流の変化量 エミッタ接地の場合, 電流増幅率の定義 : コレクタ電流の変化量 ベース電流の変化量 I C =αi E 0.95<α<0.98 I C =βi B 10<β<100 17 電流増幅率 例題 : エミッタ接地のトランジスタ回路において,I B の値を 20μA から 30μA に増加したとき,I C が 5.0mA から 7.4mA まで増加した. このとき, このトランジスタの電流増幅率を求めよ. 解 : 電流増幅率の定義 により,1mA=1000μA β=(74005000)/(3020)=240 18 9
33 トランジスタのバイアス バイアス (bias) とは, トランジスタなどを適切に作動させるため, その端子間に加える直流電圧のことである. バイアス この pnp トランジスタのエミッタ接地回路図は, 理論的な原理図である. 実際に, このようなバイアスの電圧をどのようにかけるか, をここで考えよう 19 バイアスの役割 出所 : 飯高他著, 絵ときトランジスタ回路 オーム 20 10
33 トランジスタのバイアス V A V E 原理図のバイアス V BE は V A V E により提供され, V BE =V A V E となる. 順バイアスという条件なので, V A >V E が必要である. 21 R A,R B,R E の作用 R A, R B, とR L が電圧 V CE につながっているので R A に降下電圧 V A が求められる.I C が V A V E I C R E に降下した電圧は V E となり バイアス V BE =V A V E (V A >V E ) が得られる. 要するに,R A, R B, とR E の作用はベースとエミッタ間の正しいバイアスを得るためである 特に,R A をブリーダ抵抗といい,V A をブリーダ電圧という. 22 11
R E のフィードバック (feedback) 作用 V A V E I C 何らかの原因で, I C が不安定になって, 増加した場合,R E に降下した電圧は V E が大きくなり,V BE =V A V E が小さくなり,I C が減少させられる. したがって, 出力 I C が安定できる. 要するに,R E はフィードバックの作用 ( 負帰還作用 ) がある. フィードバックとは, 電子回路では出力による入力の自動調整機能のことである. 23 C E の重要な作用 7 6 5 4 3 i c I C 2 1 V A V E I C i c I C i c 要するに,C E をつけることにより, 交流成分 i c はここに通して,R E 上に電圧降下は生じない作用がある. 0 0 2 4 6 8 10 12 14 入力交流信号が加えられるとき コレクタ電流は直流電流 I C と交流電流 i c の和となる もし コンデンサ C E がなければ,i c も R E に電圧を降下するので, フィードバック効果があり, トランジスタの増幅作用をにぶらせることになる. 24 12
例題 1(P.29) 25 実際の増幅回路の解析 トランジスタの入力 出力特性からみた, 基本増幅回路の原理. その増幅率は 1.7v/10m =1.7/0.01 =170( 倍 ) 26 13
34 RC( 抵抗 容量 ) 結合増幅器 1 段目の増幅 2 段目の増幅 C I 1 段目の増幅した結果は, コンデンサ C を通して,2 段目の増幅回路の入力となる. 大きく増幅する場合, 数段に分けて増幅する回路もある. 上の回路図は 2 段接続した場合の原理説明図である. 下の回路図は実際のもので, 信号の伝送は抵抗 R と容量 C から構成され,RC 結合増幅器と呼ばれる. 27 実際の RC 結合増幅器 I C R L 出力 v 0 は v 0 =V CE R L I C となり,2 段増幅を経て, 出力の位相は入力と一致になる. 28 14
増幅器の利得 ( 入力と出力の比, ゲインともいう ) I C ブラックボックス ブラックボックス ( 増幅器 ) R L 増幅器の入力 vi と出力 vo 関係を考える. 等価回路 増幅器 実際には, 電圧 電流 電力の利得をデシベル単位で定義されている. 29 増幅器の利得 2 段以上の増幅器の場合 2 段増幅器の電圧利得は第 1 段増幅器の利得 A v1 と第 2 段増幅器の利得 A v2 の和となることがわかる. したがって, 必要なとき, 多段増幅器を用いれば, 大きい利得が得られる. 30 15
増幅器の周波数特性 帯域幅 B=f h f l 増幅器の最大値 A vo を基準にして, 低域と高域の周波数側の電圧利得が 3dB 低くなる周波数をそれぞれ f l,f h と定義する. 増幅器の帯域幅 B=f h f l となる. 増幅器の帯域幅などの特性を周波数特性という. 31 増幅器の周波数特性 帯域幅 B=f h f l 増幅器の性能として, 電圧の増幅倍数 ( 大きな電圧利得 ) を求めるより, 周波数特性 ( 帯域幅など ) が重要視される場合が多い. 増幅器は, 帯域幅範囲におけるいろいろな周波数の信号を一様に増幅する. 電圧利得が 3dB 低くなることは, 帯域幅外の信号に対して増幅率が 7 割に満たさないので ( 例題 3 を参照 ), 出力されないことになる. つまり, 出力側に現れないとみなす. 32 16
33 34 17
35 トランス結合増幅器 トランスは (transformer, 変圧器ともいう ), 交流電の電圧の高さを電磁誘導を利用して変換する電力機器 電子部品である その回路記号はである. 電子回路において, トランスは 変圧 するために利用されるだけではなく, 周波数特性 ( インピーダンス特性 ) により, 信号が伝わる. 35 35 トランス結合増幅器 L C この回路において, 抵抗 R A,R B,R E はバイアスの提供, R E と C E はフィードバックの役割 ( 負帰還作用 ) を果たす. 信号の入力と出力は, トランスを利用して行う. 周波数特性の共振回路により, 指定した周波数しか増幅しないため, ラジオや, テレビなどの 選局 することができる. 36 18
37 36 直流増幅器 ( 差動増幅器 ) 2 つのトランジスタは同じ特性をもつ必要である. この回路の出力 v out は, 2 つの入力 v 1 と v 2 の差から構成されているので, 差動増幅器という. v out =K(v 1 v 2 ) K は回路の増幅率で, v 1 と v 2 の異なる部分だけが増幅され, 出力される. この回路にコンデンサやトランスを使わないので, 直流増幅に使われる. 直流増幅器という. 38 19
直流増幅器と交流増幅器 入力と出力との間には コンデンサが入っている. これは, 直流成分を無視してカットし, 交流成分だけを通し増幅するのを交流増幅器という. これに対して グラウンドからの電圧を増幅するのを直流増幅器といい, すなわち, 直流成分を含んで増幅するという意味で, 交流を増幅することができないという意味ではない. 交流成分直流成分 39 37 ダーリントン回路 1953 年に, Darlington によって開発された超有名回路である. 2 つのトランジスタをつないでダーリントン回路が作られる. その増幅率が β 1 β 2 ( 例題 5) で, 巨大になれる. 40 20
ダーリントン回路応用 β 1 =10,β 2 =10 としたら, ダーリントウ回路の増幅率は 2 つのトランジスタの電流増幅率の積となり, 100 倍となる. よって, 微量の変化も大きく増幅され, 出力される. 41 38 フォトカプラ回路 発光ダイオードによる発光 受光 フォトカプラ (photocoupler ) とは, 発光素子と受光素子を同一光軸上に向かい合わせて, 電気 光 電気の形式で信号を伝達する結合器のことである. 42 21
フォトカプラのメリット 前段の電子回路の出力と後段の電子回路の入力の間には, 電気上で絶縁しており, 光で信号を伝達するので, 電気上のノイズがカットできる光学的な結合デバイスである. 光ファイバー 時代に重要な役割を果たす. 前段の回路 後段の回路 小型高電流伝達率の高性能フォトカプラ (4 個で 100 円 ) 43 39 発振回路 発振回路とは, 一定の周波数をもつ正弦波, または矩形波などを発生する電子回路のことである. 原理的には,LCRの共振回路を用いて, 共振周波数 1 の信号のみ 増幅 させることにより, 周波数 f 0 である信号が出力できる. 共振のとき, 並列のLC 回路のフィードバックインピーダンスが最大となり, 出力の電圧が最も大きい. フィードバック ( 正帰還作用 ) により, 発振周波数の信号が大きく増幅され出力できる. LC 並列共振回路とトランス結合 44 22
39 発振回路 共振のとき, 並列の LC 回路のインピーダンスが最大となり, 出力の電圧が最も大きい. フィードバック ( 正帰還作用 ) により, 発振周波数の信号が大きく増幅され出力できる. 等価回路 45 演習問題 1. トランジスタの機能は ( ア ) 作用と ( イ ) 作用である 2. 下図のトランジスタの電極名と構造名を答なさい 3. 次の回路の接地方式を答えなさい 46 23
4. 次のトランジスタのエミッタ電流 IE の大きさと向きを答えなさい 5. 次の回路の電源 V BB V CC の接続が正しいものはどれか? 誤っているものは正しく訂正しなさい また ベース電流とコレクタ電流の向きを示しなさい 47 6. 図 1, 2 の直流バイアス回路について 次の問に答えよ ただし トランジスタのパラメータは β=200 である (1). 図 1 での I B および I C を求めよ (2). 図 2 での I B および I C を求めよ 図 1 図 2 48 24
7. 下図のバイアス回路で, コンデンサは無視するものとし,V CC =20V, R 1 =40k, R 2 =10k, R 3 =2k, R 4 =1k β=200 とする 次の値を求めよ (1) ベース電位 V B ( 2) エミッタ電位 V E (3) コレクタ電流 I C (4) ベース電流 I B (5) コレクタ エミッタ間電圧 V CE 8. 教科書 P.45 演習問題 3.1 と 3.2 49 25