質問: バイポーラトランジスタの小信号等価回路 アナログ電子回路を独学で学んでいる者です。 最初に写真(ii)のバイポーラトランジスタのエミッタ接地回路についてです。ベースーエミッタ間電圧vbeを大きく変化させていくと、ある点で"コレクタ電流icが流れすぎて、出力電圧voが"接地電位でクランプ(固定)される"とあり、確かにグラフからそのように見てとれます。これは一体何が起こったのでしょうか?voはvo=vcc-ic*rlで表され、トランジスタのコレクターエミッタ間電圧に等しいと考えています。これがゼロになるという事は、トランジスタ内での電圧降下がゼロになるという事でしょうか? 次に写真(i)の同じくエミッタ接地回路についてです。 この回路の各部分にあるコンデンサはどういった役割があるのでしょうか。教科書には"直流バイアス点に信号を入出力するため"とありますが、仮にコンデンサがない場合、信号を入出力できないのでしょうか?特に出力端子側についているc2のコンデンサが気になります。 次に小信号等価回路についてです。 なぜこのような回路に変換できるのか、一通り教科書を読みましたが、分からない点が多々あります。 写真(iii)の回路は(i)の等価回路で、(iv)の等価回路は、ごく一般的なエミッタ接地回路の等価回路になります。 まず(iii),(iv)どちらの等価回路にも電流源gmvbe'がありますが、これは入力電圧v1によって、vbeが変化し、このvbeから、ベースが広がり減少した電圧分を差し引いた電圧vbe'によって生じるコレクタ電流icの変化分δic'だと考えています。 次に(iv)のroについて、 1/ro=go=∂ic/∂vceより、govceは、コレクターエミッタ間電圧vceの変化によって生じるコレクタ電流icの変化分δic''になると考えています。 そして全コレクタ電流の変化分δicは、i2の向きも踏まえて、δic=δic'+δic''=-i2になるのだろうと考えています。 ここで質問ですが、なぜδic'分のgm*vbe'の方は電流源として表され、δic''分のgo*vceは抵抗roとして表されているのでしょうか?2つとも電流源gmvbe, govceで表すのは正しくないのでしょうか? もう1つ質問ですが(iii)の回路では、なぜかroが見当たりません。 (iii)も(iv)も同じ小信号等価回路であるはずなのに、なぜでしょうか?
回答: > まず、全ての電流には直流成分と交流成分が含まれている事を全く知りませんでした。例えば乾電池と豆電球一個からなる回路を流れる電流は、直流成分のみでできていると考えていました。 > すると交流電流というのは、大部分が交流成分がからなり一定周期ごとに向きが変動する電流の事になるのでしょうか。 少し混乱させてしまったかもしれませんね。 一般的には、直流とは時間的に流れる向きが変わらない電流のこと、逆に交流は向きが変わる電流のことと定義されます。 しかしこの定義では、向きが変わらなければ大きさが変わっても直流と呼べるわけです。例えば、0~100[v] まで変化する電流があったとして、これは向きが常に正なので直流と呼びます。一方、ほんの少しだけ変化して -0.1~99.9[v] に変化する電流になると、これは交流と呼ぶことになってしまいます。 これでは都合が悪いので、電流を、大きさが時間的に変わらない成分と変わる成分に分けて考えます。大きさが時間的に変わらない成分を引けば、必ず向きは時間的に変化します。これを直流成分と交流成分と呼んでいるわけです。 直流成分と交流成分に分ければ、それを足した結果が直流か交流かは、単にそれぞれの大きさの違いに過ぎません。 確かに、理想的な直流電源と抵抗からなる回路を考えれば、交流成分はありませんし、理想的な交流電源からなる回路を考えれば直流成分はありません。 しかし、「直流成分だけからなる電流」「交流成分だけからなる電流」「直流成分と交流成分が混ざった回路」と考えるよりも、「すべての電流は直流成分と交流成分が混ざっている。ただし、どちらかの大きさが0であることがある」と考えたほうがわかりやすいし、「直流成分と交流成分に分ける」ことが常に可能になる利点があります。 (ちなみにまだ早いかもしれませんが、単にわかりやすさだけでなく、理想的でない、現実に存在する回路で、純粋な直流成分だけ、交流成分だけからなる回路は、極めて特殊な環境以外はほぼ存在しません。「乾電池と豆電球一個からなる回路」にも交流成分は必ず存在します。例えば電線が拾った外来の電磁波や、熱雑音があります。独学では難しいかもしれませんが、オシロスコープなどで見てみましょう) > vcc→r1→r2→vccの区間ではキルヒホッフの式が成り立っていますが、同様に(i)の回路の他の区間、例えば入力電源→c1→ベース端子→エミッタ端子→re//c2→入力電源や、入力電源→c1→r2→入力電源と一周する区間においても、キルヒホッフの式は同様に成り立っているのでしょうか。 その通りです。 > ここで、(ii)の回路を見るとベース側の交流電源の下に直流電源vbeが繋がっていますが、(i)の回路では交流電源v1の下に直流電源vbbが省略されているのか、もしくはv1に取り込まれているのかと考えています。 少し違います。 (i) と (ii) は似ていますが大きな違いがあります。 (i) はエミッタとgndの間に r_e // c_e が有ります。(ii) はエミッタが接地しています。 つまり、(i) と (ii) はgndの基準点が異なります。この点に注意して見比べてください。 以下の点が間違いです。 ・vbb なるものは存在しない(v_1 の直流電圧は 0 です) ・c1 の電圧降下は0ではない