Amplifiers-transistor-configurations

トランジスタ構成

トランジスタには、エミッタ、ベース、*コレクタ*の3つの端子があります。 これらの3つの端子を使用して、3つの異なる構成で入力と出力の両方に共通の1つの端子を持つ回路にトランジスタを接続できます。

3種類の構成は、 Common Base、Common Emitter 、および Common Collector 構成です。 すべての構成で、エミッタ接合は順方向にバイアスされ、コレクタ接合は逆方向にバイアスされます。

共通ベース（CB）構成

名前自体は、 Base 端子がトランジスタの入力と出力の両方の共通端子として使用されることを意味します。 NPNトランジスタとPNPトランジスタの両方の共通ベース接続は、次の図に示すとおりです。

共通ベース接続

理解のために、CB構成のNPNトランジスタを考えてみましょう。 エミッター電圧が印加されると、それは順方向にバイアスされるため、負端子からの電子がエミッター電子をはじき、電流がエミッターとベースを通ってコレクターに流れ、コレクター電流に寄与します。 この間、コレクタ電圧V〜CB〜は一定に保たれます。

CB構成では、入力電流はエミッタ電流* I〜E〜であり、出力電流はコレクタ電流 I〜C〜*です。

現在の増幅係数（α）

コレクタ電圧V〜CB〜を一定に保ったときのコレクタ電流の変化（ΔI〜C〜）とエミッタ電流の変化（ΔI〜E〜）の比は、*電流増幅率*と呼ばれます。 *α*で示されます。

$ \ alpha = \ frac \ {\ Delta I_C} \ {\ Delta I_E} $定数V〜CB〜

コレクタ電流の式

上記の考え方で、コレクター電流の表現を試みてみましょう。

エミッタ電流の流れに加えて、正孔再結合によりベース端子を流れるベース電流* I〜B〜があります。 コレクタ-ベース接合には逆バイアスがかかるため、少数の電荷キャリアにより流れる別の電流があります。 これは I〜leakage〜*として理解できる漏れ電流です。 これは少数の電荷キャリアによるものであり、したがって非常に小さい。

コレクタ端子に到達するエミッタ電流は

\ alpha I_E

総コレクタ電流

I_C = \ alpha I_E + I _ \ {leakage}

エミッターベース電圧V〜EB〜= 0の場合でも、小さな漏れ電流が流れます。これはI〜CBO〜（出力が開いた状態のコレクターベース電流）と呼ばれます。

したがって、コレクタ電流は次のように表現できます。

I_C = \ alpha I_E + I _ \ {CBO}

I_E = I_C + I_B

I_C = \ alpha（I_C + I_B）+ I _ \ {CBO}

I_C（1-\ alpha）= \ alpha I_B + I _ \ {CBO}

I_C = \ frac \ {\ alpha} \ {1-\ alpha} I_B + \ frac \ {I _ \ {CBO}} \ {1-\ alpha}

I_C = \ left（\ frac \ {\ alpha} \ {1-\ alpha} \ right）I_B + \ left（\ frac \ {1} \ {1-\ alpha} \ right）I _ \ {CBO}

したがって、上記の導出はコレクタ電流の式です。 コレクタ電流の値は、使用中のトランジスタの電流増幅率とともに、ベース電流とリーク電流に依存します。

CB構成の特性

• この構成は電圧ゲインを提供しますが、電流ゲインは提供しません。
• V〜CB〜が一定で、エミッターベース電圧V〜EB〜がわずかに増加すると、エミッター電流I〜E〜が増加します。
• エミッタ電流I〜E〜は、コレクタ電圧V〜CB〜に依存しません。
• コレクタ電圧V〜CB〜は、V〜EB〜が一定に保たれている場合にのみ、低電圧でのみコレクタ電流I〜C〜に影響を与えます。
• 入力抵抗* R〜i〜*は、一定のコレクタベース電圧V〜CB〜でのエミッタ-ベース電圧の変化（ΔV〜EB〜）とエミッタ電流の変化（ΔI〜E〜）の比です。

$ R_i =定数V〜CB〜での\ frac \ {\ Delta V _ \ {EB}} \ {\ Delta I_E} $

• 入力抵抗は非常に低い値であるため、エミッタ電流I〜E〜の大きな電流を生成するには、V〜EB〜の小さな値で十分です。
• 出力抵抗* R〜o〜*は、一定のエミッタ電流IEでのコレクタベース電圧の変化（ΔV〜CB〜）とコレクタ電流の変化（ΔI〜C〜）の比です。

$ R_o = \ frac \ {\ Delta V _ \ {CB}} \ {\ Delta I_C} $定数I〜E〜

• 出力抵抗は非常に高い値であるため、V〜CB〜の大きな変化はコレクタ電流I〜C〜の非常に小さな変化を生成します。
• この構成は、温度の上昇に対して優れた安定性を提供します。
• CB構成は、高周波アプリケーションに使用されます。

共通エミッター（CE）構成

名前自体は、*エミッタ*端子がトランジスタの入力と出力の両方の共通端子として使用されることを意味します。 NPNトランジスタとPNPトランジスタの両方の共通エミッタ接続は、次の図に示すとおりです。

共通エミッター接続

CB構成と同様に、エミッタ接合は順方向にバイアスされ、コレクタ接合は逆方向にバイアスされます。 電子の流れも同様に制御されます。 ここで入力電流はベース電流* I〜B〜であり、出力電流はコレクタ電流 I〜C〜*です。

ベース電流増幅率（β）

コレクタ電流の変化（ΔI〜C〜）とベース電流の変化（ΔI〜B〜）の比は、*ベース電流増幅率*として知られています。 それはβで示されます。

\ beta = \ frac \ {\ Delta I_C} \ {\ Delta I_B}

βとαの関係

ベース電流増幅率とエミッタ電流増幅率の関係を導き出してみましょう。

\ beta = \ frac \ {\ Delta I_C} \ {\ Delta I_B}

\ alpha = \ frac \ {\ Delta I_C} \ {\ Delta I_E}

I_E = I_B + I_C

\ Delta I_E = \ Delta I_B + \ Delta I_C

\ Delta I_B = \ Delta I_E-\ Delta I_C

我々は書ける

\ beta = \ frac \ {\ Delta I_C} \ {\ Delta I_E-\ Delta I_C}

ΔI〜E〜で割る

$$ \ beta = \ frac \ {\ Delta I_C/\ Delta I_E} \ {\ frac \ {\ Delta I_E} \ {\ Delta I_E}-\ frac \ {\ Delta I_C} \ {\ Delta I_E}} $ $

我々は持っています

\ alpha = \ Delta I_C/\ Delta I_E

したがって、

\ beta = \ frac \ {\ alpha} \ {1-\ alpha}

上記の式から、αが1に近づくと、βが無限に達することが明らかです。

したがって、*共通エミッタ接続の電流ゲインは非常に高い*です。 これが、この回路接続が主にすべてのトランジスタアプリケーションで使用される理由です。

コレクタ電流の式

コモンエミッター構成では、I〜B〜は入力電流で、I〜C〜は出力電流です。

知ってる

I_E = I_B + I_C

And

I_C = \ alpha I_E + I _ \ {CBO}

= \ alpha（I_B + I_C）+ I _ \ {CBO}

I_C（1-\ alpha）= \ alpha I_B + I _ \ {CBO}

I_C = \ frac \ {\ alpha} \ {1-\ alpha} I_B + \ frac \ {1} \ {1-\ alpha} I _ \ {CBO}

ベース回路が開いている場合、つまり I〜B〜= 0の場合、

ベースが開いた状態のコレクタエミッタ電流はI〜CEO〜です

I _ \ {CEO} = \ frac \ {1} \ {1-\ alpha} I _ \ {CBO}

この値を前の方程式に代入すると、次のようになります

I_C = \ frac \ {\ alpha} \ {1-\ alpha} I_B + I _ \ {CEO}

I_C = \ beta I_B + I _ \ {CEO}

したがって、コレクタ電流の式が得られます。

膝電圧

CE構成では、ベース電流I〜B〜を一定に保つことにより、V〜CE〜を変化させると、I〜C〜はV〜CE〜の1v近くまで増加し、その後一定になります。 V〜CE〜でコレクタ電流I〜C〜が変化するまでのこのV〜CE〜の値は、*ニー電圧*と呼ばれます。 トランジスタはCE構成で動作している間、このニー電圧以上で動作します。

CE構成の特性

• この構成は、良好な電流ゲインと電圧ゲインを提供します。
• V〜CE〜を一定に保ち、V〜BE〜をわずかに増加させると、ベース電流I〜B〜はCB構成よりも急速に増加します。
• ニー電圧を超えるV〜CE〜の値の場合、I〜C〜はβI〜B〜にほぼ等しくなります。
• 入力抵抗* R〜i〜*は、一定のコレクタエミッタ電圧V〜CE〜におけるベースエミッタ電圧の変化（ΔV〜BE〜）とベース電流の変化（ΔI〜B〜）の比です。

$ R_i =定数V〜CE〜での\ frac \ {\ Delta V _ \ {BE}} \ {\ Delta I_B} $

• 入力抵抗は非常に低い値であるため、ベース電流I〜B〜の大きな電流を生成するには、V〜BE〜の小さな値で十分です。
• 出力抵抗* R〜o〜*は、定数I〜B〜でのコレクタエミッタ電圧の変化（ΔV〜CE〜）とコレクタ電流の変化（ΔI〜C〜）の比です。

$ R_o = \ frac \ {\ Delta V _ \ {CE}} \ {\ Delta I_C} $定数I〜B〜

• CE回路の出力抵抗はCB回路の出力抵抗よりも小さいため。
• この構成は通常、バイアス安定化方法とオーディオ周波数アプリケーションに使用されます。

共通コレクター（CC）構成

名前自体は、*コレクタ*端子がトランジスタの入力と出力の両方の共通端子として使用されることを意味します。 NPNトランジスタとPNPトランジスタの両方の共通コレクタ接続は、次の図に示すとおりです。

共通コレクター接続

CBおよびCE構成と同様に、エミッタ接合は順方向にバイアスされ、コレクタ接合は逆方向にバイアスされます。 電子の流れも同様に制御されます。 ここで入力電流はベース電流* I〜B〜であり、出力電流はエミッタ電流 I〜E〜*です。

現在の増幅率（γ）

エミッタ電流の変化（ΔI〜E〜）とベース電流の変化（ΔI〜B〜）の比は、コモンコレクタ（CC）構成で*電流増幅率*として知られています。 それはγで示されます。

\ gamma = \ frac \ {\ Delta I_E} \ {\ Delta I_B}

• CC構成の現在のゲインは、CE構成と同じです。
• CC構成の電圧ゲインは常に1未満です。

γとαの関係

γとαの間に何らかの関係を描いてみましょう

\ gamma = \ frac \ {\ Delta I_E} \ {\ Delta I_B}

\ alpha = \ frac \ {\ Delta I_C} \ {\ Delta I_E}

I_E = I_B + I_C

\ Delta I_E = \ Delta I_B + \ Delta I_C

\ Delta I_B = \ Delta I_E-\ Delta I_C

I〜B〜の値を代入すると、次のようになります

\ gamma = \ frac \ {\ Delta I_E} \ {\ Delta I_E-\ Delta I_C}

ΔI〜E〜で割る

$$ \ gamma = \ frac \ {\ Delta I_E/\ Delta I_E} \ {\ frac \ {\ Delta I_E} \ {\ Delta I_E}-\ frac \ {\ Delta I_C} \ {\ Delta I_E}} $ $

= \ frac \ {1} \ {1-\ alpha}

\ gamma = \ frac \ {1} \ {1-\ alpha}

コレクタ電流の式

知ってる

I_C = \ alpha I_E + I _ \ {CBO}

I_E = I_B + I_C = I_B +（\ alpha I_E + I _ \ {CBO}）

I_E（1-\ alpha）= I_B + I _ \ {CBO}

I_E = \ frac \ {I_B} \ {1-\ alpha} + \ frac \ {I _ \ {CBO}} \ {1-\ alpha}

I_C \ cong I_E =（\ beta + 1）I_B +（\ beta + 1）I _ \ {CBO}

上記はコレクタ電流の式です。

CC設定の特性

• この構成は、電流ゲインを提供しますが、電圧ゲインは提供しません。
• CC構成では、入力抵抗が高く、出力抵抗が低くなります。
• この回路によって提供される電圧ゲインは1未満です。
• コレクタ電流とベース電流の合計はエミッタ電流に等しくなります。
• 入力信号と出力信号は同相です。
• この構成は、非反転アンプ出力として機能します。
• この回路は主にインピーダンス整合に使用されます。 つまり、高インピーダンスのソースから低インピーダンスの負荷を駆動します。