アナログ電子回路本日の内容逆2乗の法則

本日の内容
アナログ電子回路
トランジスタを使った増幅回路
岩谷素顕
4-2
4-1
増幅回路の基礎
なぜ増幅が必要か?
逆2乗の法則
Johannes Kepler
電波(電力)は距離の二乗に反比例して弱くなる。
数百kW
r
2r
テレビ、ラジオ
4-3
4r
各家庭
放送局
3-4
増幅回路の基礎
なぜ増幅が必要か?
演習：携帯電話の基地局アンテナから1[m]離れた地点で、2[GHz]の電磁波
の強度が10[kW/cm2]であった。電磁波は均一に拡がるとして、1[km]離れ
た地点での電磁波の強度[W/cm2]を求めなさい。
電波(電力)の強度は距離の二乗に反比例して弱くなる。
数百kW
10000 / 1000 2 
テレビ、ラジオ
4-5
放送局
各家庭
4-6
１
 10[mW/cm 2 ]
100
増幅する信号
電磁波の波長
例えば、AMラジオ放送信号の場合
電磁波の速度 c=3.0×108[m/s]
c=[m](波長)×f[Hz](周波数)
搬送波の周波数
NHK 第1放送 JOCK
NHK 第2放送 JOCB
中部日本放送 CBC JOAR(JRN)
東海ラジオ放送 JOSF(NRN)
729[kHz]
909[kHz]
1053[kHz]
1332[kHz]
f=1[kHz]の電磁波の波長
=3.0×108/103=300[km]
f=1000[kHz]の電磁波の波長 =3.0×108/106=300[m]
なぜ、高い周波数の電磁波を利用するのか?
4-7
4-8
必要なアンテナの長さ
AMラジオの送信アンテナ
(1) 1/4波長接地アンテナ
1[kHz]の場合 75[km]
(2) 1/2波長ダイポールアンテナ
1000[kHz]の場合 75[m]
(3) 八木アンテナ(VHF、UHF)
(4) パラボラアンテナ(マイクロ波)
バイポーラトランジスタを用いた交流信号
の増幅の基本構成
アンテナ
微弱信号
増幅回路
直流電源
八木アンテナ
パラボラアンテナ
1/4波長接地アンテナ
4-9
4-10
バイポーラトランジスタを用いた交流信号の
増幅の基本構成
バイポーラトランジスタの復習
コレクタ：C
コレクタ：C
ベース：B
電圧増幅←まずはこの回路を考える
電流増幅
電力増幅
ベース：B
エミッタ：E
エミッタ：E
npn型
増幅回路を考える
pnp型
それぞれのトランジスタは何型か？矢印は電流の向き
4-11
4-12
スピーカー
ヘッドホン
演習
向きに注意して、npn型Tr、pnp型Trの直流バイアス（直流電圧
源）を書きなさい。
IC
バイポーラトランジスタの静特性
C
IB
VCE
B
VBE
IB-VBE
C
C
B
出力
入力
IC [mA]
IB [A]
E
pnp型
npn型
VBE[V]
4-14
バイポーラトランジスタの特性表の見方
VCE
B
VBE
E
IC [mA]
IBが5.0mAの時
が0.2mAの時
が1.0mAの時
C
IB=1.0mA
IB=0.2mA
4-13
IC
IE
IC- VCE
IB=5.0mA
B
E
IB
単位に注意!
E
IC- VCE
IB=5.0mA
VCE[V]
演習出力特性が、右図のようなト
ランジスタを用いて、エミッタ接地増
幅回路を構成した。入力信号IBが
0.2mAP-Pのとき（バイアス電流を加
えない場合）の出力電圧VCEを図示
せよ。なお、RCを500、VCCを15V
とする。
IC
[mA]
IB=0.4mA
60
IB=0.3mA
40
IB=0.2mA
20
IB=0.1mA
0
0
IB=1.0mA
RC
IB=0.2mA
IE
VCC
IB
VCE
VCE[V]
VCEを変化した時にICはこの様に変化
4-15
5
10
15
VCE [V]
IC
入力電流波形
IB[mA]
0.1
0
-0.1
20
出力電圧波形
10
VCE [V]
0
-10
4-16
-20
時間
IC
[mA]
IB=0.4mA
入力電流波形
IB[mA]
60
60
IB=0.3mA
40
40
IB=0.2mA
20
20
00
4-17
0.1
0
-0.1
20
出力電圧波形
10
VCE [V]
0
IB=0.1mA
-10
-20
00
55
10
10
15
15
V
[V]
VCE
[V]
CE
20
20
時間
4-18
20
解き方
負荷線を引いて出力波形を考える
赤線のループでキルヒホッフの
法則から回路方程式をたてる
IC
15＝500IC+VCE
RC
IC
[mA]
IB=0.4mA
入力電流波形
IB[mA]
60
IB=0.3mA
VCC
VCE
赤線のループの回路方程式
で負荷線を引く
15
40
IB=0.2mA
20
出力電圧波形
IB=0.1mA
4-19
10
7
0
-10
-20
0
0
IBが変化したときの動作点
を決めて値を求める。
0
-0.1
20
VCE [V]
IB
0.1
5
7
10
15
15
20
時間
VCE [V]
4-20
演習問題から分かったこと
この原因は何か？
振幅：0.1V
入力電流波形
IB[mA]
IC
0.1
0
20
15
RC
VCC
IB
出力電圧波形
VCE [V]
VCE
10
トランジスタの動作
IC
-0.1
C
IB
振幅：8V
7
B
0
-10
VBE>0.6V以上の時に動作
VCE
VBE
E
VBE<0.6Vの時はIC=0になる
IE
-20
時間
振幅は大きくなっている
しかし、波形が大きく変化している
入力
出力
IC
[mA]
入力電流
出力電流
＝
IB=0.2mA
増幅
IB=0.1mA
0
0
入力信号
バイアス
RB
IB=0.3mA
VCC
40
20
＋
IC
RC
IB=0.4mA
60
交流成分を
取り出す
5
10
15
VCE [V]
20
IB
Vi
VCE
VBB
0.3
0.9
0.2
0.6
入力電圧Vi[V]
トランジスタで交流信号を増幅する場
合、ベースからエミッタへ流れる電流
は、ダイオードと同じように片方向に
しか流れないから、信号をそのまま
ベースに入力すると、半波整流回路
のようになってしまう。そこで、バイア
ス電流を流して交流信号を増幅する。
演習出力特性が、図Aのようなトランジスタを用いて、図Bのようなエミッタ接地増幅
回路を構成した。入力電圧Viが図Cのときの出力電圧VCEを図Eに図示せよ。なお、
RCを300、RB= 3k 、VBBを1.2V、VCCを18Vとする。また、VBEは0.6Vであるとする。
またVBB＝0Vの場合に入力電圧が図Dの場合において、出力電圧VCEを図Fに図示
せよ。
IC
交流信号の増幅とバイアス
4-22
入力電圧Vi[V]
4-21
0.1
0.0
-0.1
0.3
0.0
-0.3
-0.2
-0.6
-0.3
4-23
4-24
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40
時間[ms]
-0.9
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40
時間[ms]
トランジスタの特性表
IC
RC
RB
VCC
IB
Vi
VCE
VBB
B-Eはpn接合ダイオード
4-26 ここが0.6V以上でないとトランジスタは動作しない
4-25
解き方
赤線と青線のループでキルヒホッ
フの法則から回路方程式をたてる
負荷線を引く VCE＝18－300IC
VCE  VCC  R C I C
IC
[mA]
⇔VCE＝18－300IC
RC
IC
RB
VCC
IB VBE
Vi
VCE
4-27
60
VBB+Vi＝RBIB+VBE
⇔1.2+Vi＝3000IB+0.6（VBBが
1.2Vのとき）
⇔Vi＝3000IB+0.6 （VBBが0Vの
とき）
赤線のループの回路方程式
で負荷線を引く
青線のループでViが変化するこ
とによってIBがどのように変化
するかを考え、動作点を決める
グラフを記入。軸に値を入れてください
VBB
IB=0.4mA
IB=0.3mA
40
IB=0.2mA
20
IB=0.1mA
0
0
5
10
15
20
VCE [V]
4-28
Vi＝0.3V
(a) VBB＝1.2Vの場合
VBB+Vi＝RBIB+VBE
⇔1.2+Vi＝3000IB+0.6よりベース電流IBを決める。
Viは、周期0.2msで振幅が0.3Vの正弦波なので・・・・
IC
[mA]
IB=0.4mA
60
0.3
入力電圧Vi[V]
IB=0.3mA
IBは0.1mA～0.3mAをとる。
0.2
Vi＝0V
40
0.1
IB=0.2mA
0.0
Vi＝-0.3V
-0.1
20
-0.2
IB=0.1mA
-0.3
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40
時間[ms]
0
0
5
10
15
VCE [V]
4-29
4-30
20
(b) VBB＝0Vの場合
VBB+Vi＝RBIB+VBE
⇔Vi＝3000IB+0.6よりベース電流IBを決める。
Viは、周期0.2msで振幅が0.9Vの正弦波なので・・・・
20
トランジスタ
動作する
16
14
0.9
12
0.6
10
入力電圧Vi[V]
出力電圧VCE[V]
18
8
6
4
2
0
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40
時間[ms]
IBは0mA～0.1mA
0.3
トランジスタ
動作しない
0.0
-0.3
-0.6
-0.9
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40
時間[ms]
4-31
4-32
IC
[mA]
20
IB=0.4mA
18
出力電圧VCE[V]
60
IB=0.3mA
40
IB=0.2mA
Vi=0.9V
20
16
14
12
10
8
6
4
2
IB=0.1mA
0
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40
時間[ms]
Vi=0V
0
0
5
10
15
20
VCE [V]
4-33
図F
4-34
物理的な意味
本日のまとめ
 バイポーラトランジスタの基本的な回路
 負荷線の引き方
IC=0mAであれば
RC
RB
Vi
 バイポーラトランジスタの考え方
IC
IB
VBB
VCC
VCE
VCE=VCC
ICが流れることによって
VCEが変化
IBによりICを制御
4-35
4-36

Download Report