APDahlen Applications Engineer
エミッタ接地（CE：Common Emitter）増幅器のエミッタ抵抗は、増幅器段のゲイン設定に使用される重要な部品の1つです。このエミッタ抵抗は、増幅段に適用される負帰還の量を制限することによってこの設定を行ないます。端的に言えば、フィードバックを抑制することで、エミッタバイパスコンデンサが増幅器のゲインを増加させるということです。
この技術概要では、代表的なエミッタ接地（CE：Common Emitter）回路を紹介し、次にエミッタバイパスコンデンサの動作について説明します。ゲイン、歪み、周波数応答に対するコンデンサの影響を調べます。また、エミッタ抵抗を部分的にバイパスした場合の利点も検討します。これは、R4（図1参照）を調整して、バイパスされるエミッタ抵抗（自体）の割合を変えることで実施されます。
MultisimLiveでこの回路のインタラクティブシミュレーションをロードできます。
図1： 2N3904を用いた代表的なA級エミッタ接地増幅器。バイパスするエミッタ抵抗の比率を可変抵抗器R4で設定します。
ゲインのデモンストレーション
エミッタバイパスコンデンサが増幅器のゲインに与える影響を調べることから始めましょう。図2は、可変抵抗器R4を10%ずつ増加させて調整したときの増幅器の応答を示しています。C2をトランジスタのエミッタに直接接続すると、応答が非線形になり、ゲインが増加することがわかります。この図はまた、ゲインが大きくなると歪みも増加することを示しています。
なお、図2はMultisim liveの「パラメータ」機能を使って自動生成したものです。このツールにより、ユーザーは部品に焦点を当てて値を変化させることができます。 この例では、このツールを使用してR4を0、14、28、42Ω・・・と、140Ω になるまで変化させます。各設定について、対応する増幅器の出力をプロットします。
図2： 可変抵抗器R4を変化させたときの増幅器の応答（緑：入力、青：出力）。各曲線は、所定のポテンショメータの設定に対する出力を表し、10%ごとに曲線を示します。C2がトランジスタのエミッタに直接接続されているとき、ゲインは最大になり最大の歪みが発生します。
技術的なヒント： DCバイアスはトランジスタの動作点を設定するために使用されることを思い出してください。抵抗R1、R2、R3によって設定された電圧は、トランジスタの静止（無信号）動作点を決めます。 この例では、電源電圧の約半分がR3とトランジスタのコレクタの接続点に存在するように値が選択されています。DCバイアスはC1、C2、C3、C4とは無関係であることに注意してください。これらの部品は、増幅器のダイナミック（AC）性能に関係します。
フィードバックの重要性
フィードバックとゲインは、この議論における中心的な概念です。図2で示唆されているように、エミッタバイパスコンデンサ（図1のC2）は、両方のパラメータに直接影響します。
フィードバックの定義
負帰還は増幅器の性能に大きな影響を与えます。フィードバックは増幅器をよりリニアにし（忠実度の向上）、より安定させ、帯域幅を広げ、増幅器のノイズを減少させます。この性能向上は、利得を犠牲にすることになります。図2で示唆されているように、低ゲイン（高フィードバック）構成が最高の忠実度を提供します。
技術的なヒント： 設計の練習として、全高調波歪み測定器またはここに概説した簡単な手順で性能を測定することをお勧めします。測定は、ウィーンブリッジ発振器のような低歪みの信号源から始めることに注意してください。
エミッタ接地増幅器におけるフィードバックのメカニズム
負帰還は通常、オペアンプやPIDのような制御システムのレンズを通して探求されます。どちらの場合も、出力信号が入力にフィードバックされる物理的なフィードバックワイヤを簡単に特定することができます。
エミッタ接地増幅器のフィードバックメカニズムは、物理的なワイヤがないため微妙です。代わりに、電流と電圧の観点から考える必要があります。説明のために、
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トランジスタの出力信号がコレクタ電流と定義されていると仮定します。
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コレクタ電流がエミッタに結合（フィードバック）されることに注意してください。
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トランジスタのベースは、R1とR2によって実質的にDCバイアス電圧に固定されていることに注意してください。
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バイパスコンデンサC2は一時的に取り外してください。
フィードバックのメカニズムを理解するために、コレクタ電流が増加したときに何が起こるかを考えてみましょう。コレクタ電流はエミッタ電流に合流され、それに対応してR4の電圧が上昇します。R1とR2による固定バイアス電圧を考慮すると、トランジスタの電流増大は、それ自体がオフになる傾向になります。この性質は、縮退フィードバックとして知られています。
この時点で、バイパスコンデンサC2の動作を考えることができます。このコンデンサを取り付けると、フィードバックメカニズムが解除されます。 これは、エミッタ電圧をエミッタ静止電圧に効果的に固定（ACアース）します。R4の電圧は安定しているので、フィードバックメカニズムは無効になります。
技術的なヒント： フィードバックメカニズムを無効にするという前に述べたことは、トランジスタ固有のエミッタ抵抗を考慮していないため、単純化しすぎています。この内部抵抗は、愛称「リトル r_e 」として知られ、 温度とエミッタ電流の関数です。これは次のように計算されます。
r_e = \dfrac{25 mV}{I_E} ここで25mVは半導体の熱電圧です。
おそらく後日、この重要な計算とトランジスタのゲインへの影響について調べることができるでしょう。今のところは r_e が増幅器のゲインの制限を決めるメカニズムの重要な一部であることを知っておいてください。
なぜエミッタ抵抗が必要なのですか？
理想的な設定であれば、エミッタ抵抗をなくすことができるでしょう。しかし、現実の世界では、すべてのトランジスタが同じではないことがすぐにわかります。例えば、10mAで動作する2N3904BUのDCゲインパラメータ（ H_{FE} ）は、100から300までばらつきます。ゲインはまた、温度にも影響されます。
エミッタ抵抗は、個々のトランジスタのばらつきを緩和し、温度による変動を緩和するためのフィードバックメカニズムを提供します。これは、トランジスタを安定化するための自己調整フィードバック機構です。
このDCフィードバックメカニズムは、ダイナミックACフィードバックと関連していることに注意してください。しかし、次のセクションで示すように、これらは同じではありません。
エミッタバイパスコンデンサの推奨容量はどのくらいですか？
出発点として、エミッタのバイパスコンデンサは、対象となる最低周波数に対して、エミッタ抵抗の1/10のリアクタンスを持つべきです。例えば、図1の回路がカットオフ周波数20Hzのオーディオアンプに使用されているとします。コンデンサの値を次のように計算します。
X_C = \dfrac{1}{2\pi fC} = 14 = \dfrac{1}{2 \pi 20 C}
結果として、静電容量は約470uFになります。
図3と図4は、バイパスコンデンサをそれぞれ100uFと1uFに設定した場合の増幅器の周波数特性を示しています。図3では、100uFのコンデンサで十分であり、比較的フラットな16dBの通過帯域を持つ増幅器となります。図4は、コンデンサが小さすぎる場合の結果を示しています。この増幅器は、高周波では同じ16dBの応答を示します。しかし、「低周波領域」でのゲインは約10dBです。多くの点で、これは図2の再表現です。増幅器のゲインは、エミッタのコンデンサによってバイパスされるエミッタ抵抗の大きさによって決まることを思い出してください。低周波数では、1uFの容量のリアクタンスが大きすぎます。実際、低周波数では、コンデンサはないのと同じかもしれません。バイパスコンデンサが有効になるのは、10 kHzに近づいてからです。
図3： R4を50%、C2を100uFに設定した場合の増幅器の周波数特性
図4： R4を50%、C2を1uFに設定した場合の増幅器の周波数特性
前のセクションでは、DCバイアスとダイナミックACのフィードバックメカニズムは関連していますが、異なるものであると述べまし た。これは図4に明確に示されています。低周波では、エミッタのバイパスコンデンサは有効ではありません。実際、DCの定常状態では、エミッタバイパスコンデンサの効果は目に見えません。従って、DC特性とAC特性は同じではないと言えます。しかし、どちらもトランジスタを通過する電流に基づく同じ自己調整メカニズムで動作します。
図4の最初の10Hzまでに観られるハイパスフィルタの動作は、入力と出力の結合コンデンサの制限によるものであることに注意してください。性能を向上させるには、より複雑なDC結合回路が必要です。
おわりに
エミッタバイパスコンデンサは、増幅段のゲインを決定するいくつかのデバイスの1つです。エミッタ接地増幅器は負帰還の原理で動作します。オペアンプとは異なり、「フィードバックワイヤ」は存在しません。代わりに、フィードバックはトランジスタを通過する電流の形をとります。トランジスタがオンになると、エミッタ抵抗に発生する電圧がトランジスタをオフにする方向に働くため、反作用（負）の反応があります。エミッタバイパスコンデンサは、エミッタ抵抗が完全にバイパスされた場合に最高のゲインが得られるフィードバックの量を調整する限定的な能力を提供します。私たちは、容量性リアクタンスの重要性は、このリアクタンスがエミッタ抵抗に対して低いときにバイパスコンデンサが「キックイン」することであると認識しています。
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ご健闘をお祈りします。
APDahlen
著者について
Aaron Dahlen氏、LCDR USCG（退役）は、DigiKeyでアプリケーションエンジニアを務めています。彼は、技術者およびエンジニアとしての27年間の軍役を通じて構築されたユニークなエレクトロニクスおよびオートメーションのベースを持っており、これは12年間（一部、軍での経験を織り交ぜて）教鞭をとったことによってさらに強化されました。ミネソタ州立大学Mankato校でMSEEの学位を取得したDahlen氏は、ABET認定EEプログラムで教鞭をとり、EETプログラムのプログラムコーディネーターを務め、軍の電子技術者にコンポーネントレベルの修理を教えてきました。彼はミネソタ州北部の自宅に戻り、このような記事のリサーチやエレクトロニクスとオートメーションに関する教育記事の執筆を楽しんでいます。
注目すべき経験
Dahlen氏は、DigiKey TechForumに積極的に貢献しています。この記事を書いている時点で、彼は150以上のユニークな記事を作成し、さらにTechForumへ500にものぼる投稿を提供しています。Dahlen氏は、マイクロコントローラ、VerilogによるFPGAプログラミング、膨大な産業用制御に関する研究成果など、さまざまなトピックに関する見識を共有しています。
LinkedInでAaron Dahlenとつながります。
問題
以下の問題は、記事の内容の理解を深めるのに役立つでしょう。
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エミッタ接地増幅器の特性はどのようなものですか？また、エミッタフォロワ（CC：Common Collector）増幅器との違いは何ですか？
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エミッタ接地増幅器にエミッタ抵抗が必要なのはなぜですか？
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負帰還を適用することにより、増幅器のどのような特性が改善されますか？
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エミッタ接地増幅器に関して、「フィードバックワイヤ」と同等の機能を特定してください。
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図1のR4の目的は何ですか？
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この文章を数学的に説明してください。「定常状態のDC条件では、エミッタ バイパス コンデンサは見えません。」
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図4のスケッチ：エミッタ バイパス コンデンサの使用、不使用時の動作に関連するセクションを特定し、説明してください。
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容量性リアクタンスとは何ですか？
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俗語の「バイアス電圧に固定」と「ACアース」について説明してください。
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エミッタバイパスコンデンサの値を選択する際の経験則は何ですか？
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トランジスタのベースにかかる定常状態のバイアス電圧を見積もってください。 ヒント： 推定値として、ベース電流は無視してもかまいません。
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図2が非線形応答である理由を説明してください。 ヒント： 答えは、最大ゲインでの歪みではなく、曲線間の関係に焦点を当てるべきです。
批判的思考を使う問題
これらの批判的思考の問題は、記事の内容を発展させ、その内容や隣接するトピックとの関係を全体像として理解することができます。このような問題は、自由回答形式であることが多く、リサーチが必要であり、エッセイ形式で答えるのが最適です。
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「DC結合」アンプとはどういう意味ですか？
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図1には4つのコンデンサがあります。それぞれのコンデンサに関連付けられているフィルタのタイプを特定してください。 ヒント： 「ミラー効果」という用語は、コンデンサの1つに関連付けられています。
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RCとREが等しい場合のアンプの結果と有用性を説明してください。エミッタバイパスコンデンサは使用しないこと。 ヒント： XLRコネクタを使用したマイクロホンからの2本のワイヤを考えてください。CMRRとの関係も考えてください。
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16dBの電圧利得と16dBの電力利得の違いは何ですか？出力抵抗が共通であると仮定して、答えを電力で表してください。