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学習帳

コレクタ接地増幅回路(エミッタホロワ増幅回路)について

はじめに

Udungpulでは電子回路についての学習記録を「学習帳」カテゴリで投稿しています。 前回(第4回)まではエミッタ接地回路を扱い、バイアス電圧を与える直流動作や信号を増幅する交流動作について、負荷線や小信号等価回路(等価回路は交流動作のみ)で解析してきました。

増幅回路には動作周波数、段間の結合方式など視点に応じて様々な分類法がありますが、接地方式で分類した場合は、エミッタ接地増幅回路、コレクタ接地増幅回路、ベース接地増幅回路の3つがあります(バイポーラトランジスタを使用した場合)。

第5回となる今回はコレクタ接地増幅回路について学習します。 コレクタ接地増幅回路は入力電圧に追従した電圧を出力することからエミッタホロワ増幅回路とも呼ばれています。 電圧を増幅する機能はありませんが、インピーダンス変換が可能なため、しばしばエミッタ接地回路と組み合わせて用いられます。

本記事ではまず、エミッタホロワ増幅回路の交流動作の指標である電圧増幅度、電流増幅度、入力インピーダンス、出力インピーダンスを小信号等価回路を用いて計算します。 次に、それらの計算結果を踏まえてこの回路の特徴を説明し、緩衝増幅器(バッファアンプ、バッファ回路)としての役割についても解説します。

本記事では、各部の信号の表記ルールはこちら、増幅度の定義はこちらのルールに準拠します。 また、小信号等価回路を用いた議論では、活性領域の中だけで動作させることを前提としています。

エミッタホロワ増幅回路

コレクタ接地増幅回路(エミッタホロワ増幅回路)の一例を下図に示します。

エミッタホロワ(固定バイアス方式)

名前の通りコレクタが直接直流電源 VCCV_\mathrm{CC} に接続されています。 図のようにコレクタ接地回路では、ベース-コレクタ間を入力端、エミッタ-コレクタ間を出力端とし、RER_\mathrm{E} の両端から出力電圧を取り出します。

ベース-エミッタ間電圧を vBEv_\mathrm{BE} とすると、出力電圧 VoV_\mathrm{o}Vo=VivBEV_\mathrm{o}=V_\mathrm{i}-v_\mathrm{BE} で表されます。 十分なバイアス電流を流しておけば vBEv_\mathrm{BE} がほぼ一定であることを踏まえると、VoV_\mathrm{o}ViV_\mathrm{i} に追従して動くことから、コレクタ接地回路にはエミッタホロワ(エミッタフォロワ)という別名がついています。

  • RBR_\mathrm{B} は固定バイアス回路におけるそれと同じく、バイアス電流を流すための抵抗です。
  • CiC_\mathrm{i}CoC_\mathrm{o}​ は結合コンデンサであり、本記事ではそれらのインピーダンスは十分小さいものと仮定します。
  • vSv_\mathrm{S}RSR_\mathrm{S}​ は、信号源の等価回路を構成する起電力と内部抵抗です。
  • RLR_\mathrm{L}​ は負荷抵抗です。

下図に示すのは、電流帰還バイアス回路のように R1R_1R2R_2 でベース電位を分圧させるバイアス方式を用いたエミッタホロワです。 このタイプのエミッタホロワを、本記事では便宜上「分圧方式」と呼びます。

エミッタホロワ(分圧方式)

固定バイアス回路と電流帰還バイアス回路とを第2回の記事で図式的に比較したように、温度変化に対する動作点の安定性は分圧方式の方が高くなります。 しかし、分圧方式は回路が複雑になり、消費電力が増大し、入力インピーダンスが低下するというデメリットもあります。

等価回路による解析

簡易等価回路

ここからは下図に再掲するエミッタホロワを考え、エミッタ接地における hh パラメータ hieh_\mathrm{ie}hfeh_\mathrm{fe} による簡易等価回路を用いて増幅度やインピーダンスを計算します1第3回の記事ではいきなり hreh_\mathrm{re}hoeh_\mathrm{oe} も考慮して説明しましたが、今回は簡単のため簡易等価回路で説明し、hreh_\mathrm{re}hoeh_\mathrm{oe} を考慮する場合については練習問題で取り扱います。

エミッタホロワ(固定バイアス方式)

簡易等価回路を描くと下図のようになります。

簡易等価回路(オリジナル)

上の等価回路は下図のように書き換えると読みやすくなります。

簡易等価回路(変形後)

以下では上図の書き換え後の回路図を見ながら増幅度やインピーダンスを計算します。

増幅度の計算

出力電圧 vov_\mathrm{o}、入力電圧 viv_\mathrm{i} はそれぞれ以下の式で表されます。

vo=(hfe+1)ib1RE+1RL=(hfe+1)RERLRE+RLibv_\mathrm{o}=\frac{(h_\mathrm{fe}+1)i_\mathrm{b}}{\cfrac{1}{R_\mathrm{E}}+\cfrac{1}{R_\mathrm{L}}} =(h_\mathrm{fe}+1)\cdot\frac{R_\mathrm{E}R_\mathrm{L}}{R_\mathrm{E}+R_\mathrm{L}}\cdot i_\mathrm{b} vi=hieib+vo={hie+(hfe+1)RERLRE+RL}ibv_\mathrm{i}=h_\mathrm{ie}i_\mathrm{b}+v_\mathrm{o} =\left\{ h_\mathrm{ie}+(h_\mathrm{fe}+1)\cdot\frac{R_\mathrm{E}R_\mathrm{L}}{R_\mathrm{E}+R_\mathrm{L}} \right\}i_\mathrm{b}

したがって、電圧増幅度 Av=vo/viA_\mathrm{v}=v_\mathrm{o}/v_\mathrm{i} は次式で表されます。

Av=vohfeib+vo=1hfeibvo+1=1hiehfe+1(1RE+1RL)+1=hfe+1hie(1RE+1RL)+hfe+1\begin{align*} A_\mathrm{v}&=\frac{v_\mathrm{o}}{h_\mathrm{fe}i_\mathrm{b}+v_\mathrm{o}} =\frac{1}{\cfrac{h_\mathrm{fe}i_\mathrm{b}}{v_\mathrm{o}}+1} \\ &=\frac{1}{\cfrac{h_\mathrm{ie}}{h_\mathrm{fe}+1}\left(\cfrac{1}{R_\mathrm{E}}+\cfrac{1}{R_\mathrm{L}}\right)+1} \\ &=\frac{h_\mathrm{fe}+1}{h_\mathrm{ie}\left(\cfrac{1}{R_\mathrm{E}}+\cfrac{1}{R_\mathrm{L}}\right)+h_\mathrm{fe}+1} \end{align*}

出力電流は io=vo/RLi_\mathrm{o}=-v_\mathrm{o}/R_\mathrm{L} で表されることから、電流増幅度 Ai=io/ibA_\mathrm{i}=i_\mathrm{o}/i_\mathrm{b} は次式で与えられます。

Ai=voRLib=hfe+1RL(1RE+1RL)=(hfe+1)RERE+RL\begin{align*} A_\mathrm{i}&=-\frac{v_\mathrm{o}}{R_\mathrm{L}i_\mathrm{b}} =-\frac{h_\mathrm{fe}+1}{R_\mathrm{L}\left(\cfrac{1}{R_\mathrm{E}}+\cfrac{1}{R_\mathrm{L}}\right)} \\ &=-\frac{(h_\mathrm{fe}+1)R_\mathrm{E}}{R_\mathrm{E}+R_\mathrm{L}} \end{align*}

入力インピーダンスの計算

等価回路で RBR_\mathrm{B} より右側を見たインピーダンス ZiZ_\mathrm{i}' は以下で求められます。

Zi=viib=hie+(hfe+1)RERLRE+RLZ_\mathrm{i}'=\frac{v_\mathrm{i}}{i_\mathrm{b}}= h_\mathrm{ie}+(h_\mathrm{fe}+1)\cdot\frac{R_\mathrm{E}R_\mathrm{L}}{R_\mathrm{E}+R_\mathrm{L}}

ここで、負荷抵抗を接続せず出力端を開放した無負荷の場合の ZiZ_\mathrm{i}' を考えます。 RLR_\mathrm{L}\to\infty となるので、 hfe1h_\mathrm{fe}\gg1 より Zihie+hfeREZ_\mathrm{i}'\approx h_\mathrm{ie}+h_\mathrm{fe}R_\mathrm{E} となります。 さらに、hieh_\mathrm{ie} が数百 Ω\Omega ~数 kΩ\mathrm{k\Omega} 程度、hfeh_\mathrm{fe} が数百程度、RER_\mathrm{E} が数 kΩ\mathrm{k\Omega} の典型的な場合を想定すると、hie/hfeh_\mathrm{ie}/h_\mathrm{fe} が数 Ω\Omega ~ 数十 Ω\Omega 程度となるので REhie/hfeR_\mathrm{E}\gg h_\mathrm{ie}/h_\mathrm{fe} が成り立ちます。 この条件下では、ベースから見た入力インピーダンスは ZihfeRE\boxed{Z_\mathrm{i}'\approx h_\mathrm{fe}R_\mathrm{E}} となります。

反対に RL0R_\mathrm{L}\approx0 のごく低抵抗の負荷を接続した場合は ZihieZ_\mathrm{i}'\approx h_\mathrm{ie} に低下しますが、いかなる場合も Zi>hieZ_\mathrm{i}'>h_\mathrm{ie} を満たすことは上式から明らかです。

入力端から見ると、上述の ZiZ_\mathrm{i}' に並列に RBR_\mathrm{B} が接続されています。 したがって、入力インピーダンス ZiZ_\mathrm{i} は次式で表されます。

Zi=RBZiRB+Zi=RB{hie+(hfe+1)RERLRE+RL}RB+hie+(hfe+1)RERLRE+RLZ_\mathrm{i}=\frac{R_\mathrm{B}Z_\mathrm{i}'}{R_\mathrm{B}+Z_\mathrm{i}'}= \frac{R_\mathrm{B}\left\{ h_\mathrm{ie}+(h_\mathrm{fe}+1)\cdot\cfrac{R_\mathrm{E}R_\mathrm{L}}{R_\mathrm{E}+R_\mathrm{L}} \right\}}{R_\mathrm{B}+ h_\mathrm{ie}+(h_\mathrm{fe}+1)\cdot\cfrac{R_\mathrm{E}R_\mathrm{L}}{R_\mathrm{E}+R_\mathrm{L}} }

分圧方式のエミッタホロワでは、R1R_1R2R_2 にはベース電流より十分大きな電流を流す必要があります。 そのため、分圧方式では R1R_1R2R_2 に引っ張られて ZiZ_\mathrm{i} が低下します。

出力インピーダンスの計算

出力インピーダンスは vS=0v_\mathrm{S}=0 として計算します。 このとき vi=RSii=RB(iiib)v_\mathrm{i}=-R_\mathrm{S}i_\mathrm{i}=R_\mathrm{B}(i_\mathrm{i}-i_\mathrm{b}) が成り立つので、以下の関係が成り立ちます。

iiib=RBRS+RB\frac{i_\mathrm{i}}{i_\mathrm{b}}=\frac{R_\mathrm{B}}{R_\mathrm{S}+R_\mathrm{B}}

ここで γ=ii/ib=RB/(RS+RB)\gamma=i_\mathrm{i}/i_\mathrm{b}=R_\mathrm{B}/(R_\mathrm{S}+R_\mathrm{B}) とおくと、vi=γRSibv_\mathrm{i}=-\gamma R_\mathrm{S}i_\mathrm{b} と表されます。 vi=hieib+vov_\mathrm{i}=h_\mathrm{ie}i_\mathrm{b}+v_\mathrm{o} より、ibi_\mathrm{b}vov_\mathrm{o} を用いて以下の式で表されます。

γRSib=hieib+vo ib=1γRS+hievo\begin{align*} -\gamma R_\mathrm{S}i_\mathrm{b}&=h_\mathrm{ie}i_\mathrm{b}+v_\mathrm{o} \\ \therefore\ i_\mathrm{b}&=-\frac{1}{\gamma R_\mathrm{S}+h_\mathrm{ie}}\cdot v_\mathrm{o} \end{align*}

上図の点Eにおけるキルヒホッフ電流則より、出力電流は以下のように vov_\mathrm{o} を用いて表されます。

io=(hfe+1)ib+voRE=(hfe+1γRS+hie+1RE)vo\begin{align*} i_\mathrm{o}&=-(h_\mathrm{fe}+1)i_\mathrm{b}+\frac{v_\mathrm{o}}{R_\mathrm{E}} \\ &=\left( \frac{h_\mathrm{fe}+1}{\gamma R_\mathrm{S}+h_\mathrm{ie}} +\frac{1}{R_\mathrm{E}} \right)v_\mathrm{o} \end{align*}

したがって、出力インピーダンス Zo=vo/ioZ_\mathrm{o}=v_\mathrm{o}/i_\mathrm{o} は次式で求められます。

Zo=1hfe+1RSRBRS+RB+hie+1REZ_\mathrm{o}=\frac{1}{ \cfrac{h_\mathrm{fe}+1}{\cfrac{R_\mathrm{S}R_\mathrm{B}}{R_\mathrm{S}+R_\mathrm{B}}+h_\mathrm{ie}} +\cfrac{1}{R_\mathrm{E}} }

特に、RS0R_\mathrm{S}\approx0 のとき Zo<hie/hfeZ_\mathrm{o}<h_\mathrm{ie}/h_\mathrm{fe} であることが分かります。 さらに、前述したような REhie/hfeR_\mathrm{E}\gg h_\mathrm{ie}/h_\mathrm{fe} の場合、出力インピーダンスは Zohie/hfe\boxed{Z_\mathrm{o}\approx h_\mathrm{ie}/h_\mathrm{fe}} となります。 したがって、エミッタホロワは数 Ω\Omega ~数十 Ω\Omega 程度と低い出力インピーダンスを持ちます

さて、第3回の記事では、hieh_\mathrm{ie} は熱電圧 VT26mVV_\mathrm{T}\approx26\mathrm{\,mV}、コレクタ電流 iCi_\mathrm{C} を用いて hie(VT/iC)hfeh_\mathrm{ie}\approx(V_\mathrm{T}/i_\mathrm{C})h_\mathrm{fe} で表されることを学習しました。 エミッタ電流 iEiCi_\mathrm{E}\approx i_\mathrm{C} より、出力インピーダンスの近似値は Zohie/hfeVT/iEZ_\mathrm{o}\approx h_\mathrm{ie}/h_\mathrm{fe}\approx V_\mathrm{T}/i_\mathrm{E} で求めることができます。

練習問題1

下図のエミッタホロワ回路について考える。

エミッタホロワ(固定バイアス方式)

上図のエミッタホロワ回路の小信号等価回路は下図で表される。
この等価回路を用いて、(1) 電圧増幅度 Av=vo/viA_\mathrm{v}=v_\mathrm{o}/v_\mathrm{i}、(2) 電流増幅度 Ai=io/ibA_\mathrm{i}=i_\mathrm{o}/i_\mathrm{b}、(3) 入力インピーダンス Zi=vi/iiZ_\mathrm{i}=v_\mathrm{i}/i_\mathrm{i}、(4) 出力インピーダンス Zo=vo/ioZ_\mathrm{o}=v_\mathrm{o}/i_\mathrm{o} を求めよ。
ただし、結合コンデンサ CiC_\mathrm{i}CoC_\mathrm{o} は十分大きいものとする。

小信号等価回路(練習問題)

解説

上図の等価回路はエミッタ接地における電圧帰還率 hreh_\mathrm{re} と出力アドミタンス hoeh_\mathrm{oe} を考慮したものとなっています。 簡易等価回路と同様にして導出します。

(1) vce=vov_\mathrm{ce}=-v_\mathrm{o} より、出力電圧 vov_\mathrm{o}、入力電圧 viv_\mathrm{i} はそれぞれ以下の式で表されます。

vo=(hfe+1)ibhoe+1RE+1RL=(hfe+1)RERLhoeRERL+RE+RLibv_\mathrm{o}=\frac{(h_\mathrm{fe}+1)i_\mathrm{b}}{h_\mathrm{oe}+\cfrac{1}{R_\mathrm{E}}+\cfrac{1}{R_\mathrm{L}}} =\frac{(h_\mathrm{fe}+1)R_\mathrm{E}R_\mathrm{L}}{h_\mathrm{oe}R_\mathrm{E}R_\mathrm{L}+R_\mathrm{E}+R_\mathrm{L}}\cdot i_\mathrm{b} vi=hieib+hrevce+vo=hieib(1hre)vo={hie+(1hre)(hfe+1)RERLhoeRERL+RE+RL}ib\begin{align*} v_\mathrm{i}&=h_\mathrm{ie}i_\mathrm{b}+h_\mathrm{re}v_\mathrm{ce}+v_\mathrm{o} \\ &=h_\mathrm{ie}i_\mathrm{b}-(1-h_\mathrm{re})v_\mathrm{o} \\ &=\left\{ h_\mathrm{ie}+\frac{(1-h_\mathrm{re})(h_\mathrm{fe}+1)R_\mathrm{E}R_\mathrm{L}}{h_\mathrm{oe}R_\mathrm{E}R_\mathrm{L}+R_\mathrm{E}+R_\mathrm{L}} \right\}i_\mathrm{b} \end{align*}

したがって、電圧増幅度 Av=vo/viA_\mathrm{v}=v_\mathrm{o}/v_\mathrm{i} は次式で表されます。

Av=vohfeib+(1hre)vo=1hfeibvo+(1hre)=1hiehfe+1(hoe+1RE+1RL)+(1hre)=hfe+1hie(hoe+1RE+1RL)+(1hre)(hfe+1)\begin{align*} A_\mathrm{v}&=\frac{v_\mathrm{o}}{h_\mathrm{fe}i_\mathrm{b}+(1-h_\mathrm{re})v_\mathrm{o}} =\frac{1}{\cfrac{h_\mathrm{fe}i_\mathrm{b}}{v_\mathrm{o}}+(1-h_\mathrm{re})} \\ &=\frac{1}{\cfrac{h_\mathrm{ie}}{h_\mathrm{fe}+1}\left(h_\mathrm{oe}+\cfrac{1}{R_\mathrm{E}}+\cfrac{1}{R_\mathrm{L}}\right)+(1-h_\mathrm{re})} \\ &=\frac{h_\mathrm{fe}+1}{h_\mathrm{ie}\left(h_\mathrm{oe}+\cfrac{1}{R_\mathrm{E}}+\cfrac{1}{R_\mathrm{L}}\right)+(1-h_\mathrm{re})(h_\mathrm{fe}+1)} \end{align*}

(2) 出力電流は io=vo/RLi_\mathrm{o}=-v_\mathrm{o}/R_\mathrm{L} で表されることから、電流増幅度 Ai=io/ibA_\mathrm{i}=i_\mathrm{o}/i_\mathrm{b} は次式で与えられます。

Ai=voRLib=hfe+1RL(hoe+1RE+1RL)=(hfe+1)REhoeRERL+RE+RL\begin{align*} A_\mathrm{i}&=-\frac{v_\mathrm{o}}{R_\mathrm{L}i_\mathrm{b}} =-\frac{h_\mathrm{fe}+1}{R_\mathrm{L}\left(h_\mathrm{oe}+\cfrac{1}{R_\mathrm{E}}+\cfrac{1}{R_\mathrm{L}}\right)} \\ &=-\frac{(h_\mathrm{fe}+1)R_\mathrm{E}}{h_\mathrm{oe}R_\mathrm{E}R_\mathrm{L}+R_\mathrm{E}+R_\mathrm{L}} \end{align*}

(3) 等価回路で RBR_\mathrm{B} から右側を見たインピーダンス ZiZ_\mathrm{i}' は以下で求められます。

Zi=viib=hie+(1hre)(hfe+1)RERLhoeRERL+RE+RLZ_\mathrm{i}'=\frac{v_\mathrm{i}}{i_\mathrm{b}}= h_\mathrm{ie}+\frac{(1-h_\mathrm{re})(h_\mathrm{fe}+1)R_\mathrm{E}R_\mathrm{L}}{h_\mathrm{oe}R_\mathrm{E}R_\mathrm{L}+R_\mathrm{E}+R_\mathrm{L}}

等価回路を入力端から見ると、上式の ZiZ_\mathrm{i}' に並列に RBR_\mathrm{B} が接続されています。 したがって、入力インピーダンス ZiZ_\mathrm{i} は次式で表されます。

Zi=RBZiRB+Zi=RB{hie+(1hre)(hfe+1)RERLhoeRERL+RE+RL}RB+hie+(1hre)(hfe+1)RERLhoeRERL+RE+RLZ_\mathrm{i}=\frac{R_\mathrm{B}Z_\mathrm{i}'}{R_\mathrm{B}+Z_\mathrm{i}'}= \frac{R_\mathrm{B}\left\{ h_\mathrm{ie}+\cfrac{(1-h_\mathrm{re})(h_\mathrm{fe}+1)R_\mathrm{E}R_\mathrm{L}}{h_\mathrm{oe}R_\mathrm{E}R_\mathrm{L}+R_\mathrm{E}+R_\mathrm{L}} \right\}}{R_\mathrm{B}+ h_\mathrm{ie}+\cfrac{(1-h_\mathrm{re})(h_\mathrm{fe}+1)R_\mathrm{E}R_\mathrm{L}}{h_\mathrm{oe}R_\mathrm{E}R_\mathrm{L}+R_\mathrm{E}+R_\mathrm{L}} }

(4) γ=ii/ib=RB/(RS+RB)\gamma=i_\mathrm{i}/i_\mathrm{b}=R_\mathrm{B}/(R_\mathrm{S}+R_\mathrm{B}) とおくと、vi=γRSibv_\mathrm{i}=-\gamma R_\mathrm{S}i_\mathrm{b} と表されます。 vi=hieib+(1hre)vov_\mathrm{i}=h_\mathrm{ie}i_\mathrm{b}+(1-h_\mathrm{re})v_\mathrm{o} より、ibi_\mathrm{b}vov_\mathrm{o} を用いて以下の式で表されます。

γRSib=hieib+(1hre)vo ib=1hreγRS+hievo\begin{align*} -\gamma R_\mathrm{S}i_\mathrm{b}&=h_\mathrm{ie}i_\mathrm{b}+(1-h_\mathrm{re})v_\mathrm{o} \\ \therefore\ i_\mathrm{b}&=-\frac{1-h_\mathrm{re}}{\gamma R_\mathrm{S}+h_\mathrm{ie}}\cdot v_\mathrm{o} \end{align*}

上図の点Eにおけるキルヒホッフ電流則より、出力電流は以下のように vov_\mathrm{o} を用いて表されます。

io=(hfe+1)ib+(hoe+1RE)vo={(1hre)(hfe+1)γRS+hie+hoe+1RE}vo\begin{align*} i_\mathrm{o}&=-(h_\mathrm{fe}+1)i_\mathrm{b}+\left(h_\mathrm{oe}+\frac{1}{R_\mathrm{E}}\right)v_\mathrm{o} \\ &=\left\{ \frac{(1-h_\mathrm{re})(h_\mathrm{fe}+1)}{\gamma R_\mathrm{S}+h_\mathrm{ie}}+h_\mathrm{oe} +\frac{1}{R_\mathrm{E}} \right\}v_\mathrm{o} \end{align*}

したがって、出力インピーダンス Zo=vo/ioZ_\mathrm{o}=v_\mathrm{o}/i_\mathrm{o} は次式で求められます。

Zo=1(1hre)(hfe+1)RSRBRS+RB+hie+hoe+1REZ_\mathrm{o}=\frac{1}{ \cfrac{(1-h_\mathrm{re})(h_\mathrm{fe}+1)}{\cfrac{R_\mathrm{S}R_\mathrm{B}}{R_\mathrm{S}+R_\mathrm{B}}+h_\mathrm{ie}}+h_\mathrm{oe} +\cfrac{1}{R_\mathrm{E}} }

練習問題2

下図のトランジスタ回路について、(1) 電圧増幅度 Av=vo/viA_\mathrm{v}=v_\mathrm{o}/v_\mathrm{i}、(2) トランジスタのベースから見た入力インピーダンス Zi=vi/ibZ_\mathrm{i}'=v_\mathrm{i}/i_\mathrm{b}、(3) 入力端から見た入力インピーダンス Zi=vi/iiZ_\mathrm{i}=v_\mathrm{i}/i_\mathrm{i}、(4) 出力インピーダンス Zo=vo/ioZ_\mathrm{o}=v_\mathrm{o}/i_\mathrm{o} を求めよ。
ただし、RB=490kΩR_\mathrm{B}=490\mathrm{\,k\Omega}RE=1.5kΩR_\mathrm{E}=1.5\mathrm{\,k\Omega} とし、結合コンデンサ CiC_\mathrm{i}CoC_\mathrm{o} は十分大きいものとする。 また、トランジスタの hh パラメータのうち hieh_\mathrm{ie} 及び hfeh_\mathrm{fe} を下表に示す値とし、hreh_\mathrm{re} 及び hoeh_\mathrm{oe} の影響は無視するものとする。

名称記号
入力インピーダンスhieh_\mathrm{ie}970Ω970\mathrm{\,\Omega}
電流増幅率hfeh_\mathrm{fe}170170

エミッタホロワ(練習問題・固定バイアス方式)

解説

題意より RS=0R_\mathrm{S}=0RLR_\mathrm{L}\rightarrow\infty として、上で導出した簡易等価回路の式を代入します。

(1)

limRLAv=hfe+1hieRE+hfe+1=1719701.5×103+1710.99621.0\begin{align*} \lim_{R_\mathrm{L}\rightarrow\infty}A_\mathrm{v} &=\frac{h_\mathrm{fe}+1}{\cfrac{h_\mathrm{ie}}{R_\mathrm{E}}+h_\mathrm{fe}+1} \\ &=\frac{171}{\cfrac{970}{1.5\times10^3}+171} \\ &\approx0.9962\approx\underline{\underline{1.0}} \end{align*}

(2)

limRLZi=hie+(hfe+1)RE=970+171×1.5×103=257470260kΩ\begin{align*} \lim_{R_\mathrm{L}\rightarrow\infty}Z_\mathrm{i}' &=h_\mathrm{ie}+(h_\mathrm{fe}+1)R_\mathrm{E} \\ &=970+171\times1.5\times10^3 \\ &=257470\approx\underline{\underline{260\mathrm{\,k\Omega}}} \end{align*}

(3)

limRLZi=limRLRBZiRB+Zi=490×103×257470490×103+2574701.687×105170kΩ\begin{align*} \lim_{R_\mathrm{L}\rightarrow\infty}Z_\mathrm{i} &=\lim_{R_\mathrm{L}\rightarrow\infty}\frac{R_\mathrm{B}Z_\mathrm{i}'}{R_\mathrm{B}+Z_\mathrm{i}'} \\ &=\frac{490\times10^3\times257470}{490\times10^3+257470} \\ &\approx1.687\times10^5\approx\underline{\underline{170\mathrm{\,k\Omega}}} \end{align*}

(4)

limRLZi=1hfe+1hie+1RE=1171970+11.5×1035.6515.7Ω\begin{align*} \lim_{R_\mathrm{L}\rightarrow\infty}Z_\mathrm{i} &=\frac{1}{\cfrac{h_\mathrm{fe}+1}{h_\mathrm{ie}}+\cfrac{1}{R_\mathrm{E}}} \\ &=\frac{1}{\cfrac{171}{970}+\cfrac{1}{1.5\times10^3}} \\ &\approx5.651\approx\underline{\underline{5.7\mathrm{\,\Omega}}} \end{align*}

※ (2)で求めた ZiZ_\mathrm{i}' と(4)で求めた ZoZ_\mathrm{o} を無負荷における近似式で計算すると以下のようになります。

ZihfeRE=255000260kΩZohie/hfe5.7055.7Ω\begin{align*} Z_\mathrm{i}'&\approx h_\mathrm{fe}R_\mathrm{E}=255000\approx260\mathrm{\,k\Omega} \\ Z_\mathrm{o}&\approx h_\mathrm{ie}/h_\mathrm{fe}\approx5.705\approx5.7\mathrm{\,\Omega} \end{align*}

(2)及び(4)の計算結果を高精度に近似できていることが分かります。

練習問題3

下図のトランジスタ回路について、(1) 無信号入力時のコレクタ-エミッタ間電圧 vCEv_\mathrm{CE}、(2) トランジスタのベースから見た入力インピーダンス Zi=vi/ibZ_\mathrm{i}'=v_\mathrm{i}/i_\mathrm{b}、(3) 入力端から見た入力インピーダンス Zi=vi/iiZ_\mathrm{i}=v_\mathrm{i}/i_\mathrm{i} を求めよ。
ただし、R1=18kΩR_1=18\mathrm{\,k\Omega}R2=82kΩR_2=82\mathrm{\,k\Omega}RE=1.5kΩR_\mathrm{E}=1.5\mathrm{\,k\Omega}VCC=9VV_\mathrm{CC}=9\mathrm{\,V}、ベース-エミッタ間電圧 vBE=0.6Vv_\mathrm{BE}=0.6\mathrm{\,V} とし、ベース電流は無視できるほど小さいものとする。 また、結合コンデンサ CiC_\mathrm{i}CoC_\mathrm{o} は十分大きいものとする。 トランジスタの hh パラメータのうち hieh_\mathrm{ie} 及び hfeh_\mathrm{fe} を前問(練習問題2)における値とし、hreh_\mathrm{re} 及び hoeh_\mathrm{oe} の影響は無視するものとする。

エミッタホロワ(練習問題・分圧方式)

解説

問題の回路は分圧方式のエミッタホロワです。

(1) 直流動作の計算問題です。 入力電圧 viv_\mathrm{i}、出力電圧 vov_\mathrm{o}vCEv_\mathrm{CE} の順に計算すると、以下のようになります。

viR2R1+R2VCCvo=vivBER2R1+R2VCCvBEvCE=VCCvo=VCCvi+vBE(1+R2R1+R2)VCC+vBE=R1R1+R2VCC+vBE=1818+82×9+0.6=2.222.2V\begin{align*} v_\mathrm{i} &\approx\frac{R_2}{R_1+R_2}\cdot V_\mathrm{CC} \\ v_\mathrm{o} &=v_\mathrm{i}-v_\mathrm{BE} \\ &\approx\frac{R_2}{R_1+R_2}\cdot V_\mathrm{CC}-v_\mathrm{BE} \\ v_\mathrm{CE} &=V_\mathrm{CC}-v_\mathrm{o} \\ &=V_\mathrm{CC}-v_\mathrm{i}+v_\mathrm{BE} \\ &\approx\left(1+\frac{R_2}{R_1+R_2}\right)V_\mathrm{CC}+v_\mathrm{BE} \\ &=\frac{R_1}{R_1+R_2}\cdot V_\mathrm{CC}+v_\mathrm{BE} \\ &=\frac{18}{18+82}\times9+0.6 \\ &=2.22\approx\underline{\underline{2.2\mathrm{\,V}}} \end{align*}

(2) 練習問題2と数値も含め全く同じ計算です。

limRLZi=hie+(hfe+1)RE=970+171×1.5×103=257470260kΩ\begin{align*} \lim_{R_\mathrm{L}\rightarrow\infty}Z_\mathrm{i}' &=h_\mathrm{ie}+(h_\mathrm{fe}+1)R_\mathrm{E} \\ &=970+171\times1.5\times10^3 \\ &=257470\approx\underline{\underline{260\mathrm{\,k\Omega}}} \end{align*}

(3) R1R_1R2R_2 の並列合成抵抗を RBR_\mathrm{B} とおくと、その値は以下で与えられます。

RB=R1R2R1+R2=18×103×82×10318×103+82×103=14.76ΩR_\mathrm{B}=\frac{R_1R_2}{R_1+R_2}=\frac{18\times10^3\times82\times10^3}{18\times10^3+82\times10^3}=14.76\mathrm{\,\Omega}

この値を代入すると、求める ZiZ_\mathrm{i} は以下のようになります。

limRLZi=limRLRBZiRB+Zi=14.76×25747014.76+25747014.75915Ω\begin{align*} \lim_{R_\mathrm{L}\rightarrow\infty}Z_\mathrm{i} &=\lim_{R_\mathrm{L}\rightarrow\infty}\frac{R_\mathrm{B}Z_\mathrm{i}'}{R_\mathrm{B}+Z_\mathrm{i}'} \\ &=\frac{14.76\times257470}{14.76+257470} \\ &\approx14.759\approx\underline{\underline{15\mathrm{\,\Omega}}} \end{align*}

※ (3)の結果を練習問題2の(3)を比較すると、練習問題3のエミッタホロワの入力インピーダンスは R1R_1 の影響で10分の1以下に低下しています。

エミッタホロワの特徴

練習問題2や3による数値例も踏まえ、エミッタホロワの特徴をまとめました。

  1. 電圧増幅度がほぼ1
    • 例えば vBE0.6Vv_\mathrm{BE}\approx0.6\mathrm{\,V} ならば VoVi0.6[V]V_\mathrm{o}\approx V_\mathrm{i}-0.6\mathrm{\,[V]} という具合に、出力電圧が入力に追従して変化します。
    • 電圧増幅度 AvA_\mathrm{v} が1を上回ることはありません。
  2. 出力電圧は入力電圧と同相
    • ViV_\mathrm{i} が増加すれば VoV_\mathrm{o} も増加します。
  3. 入力インピーダンスがエミッタ接地回路より高い
    • エミッタ接地回路の入力インピーダンスは hieh_\mathrm{ie} を上回ることはありません(第3回の記事を参照)。
    • 他方、エミッタホロワの入力インピーダンスは hieh_\mathrm{ie} を下回ることがありません。
    • ただし、電流帰還バイアス増幅回路(エミッタ接地回路)あるいは分圧方式のエミッタホロワの場合、入力インピーダンスは R1R_1R2R_2 に引っ張られて大きく低下します。
  4. 出力インピーダンスがエミッタ接地回路より低い
    • エミッタ接地回路の出力インピーダンスは簡易等価回路を計算すると ZoRCZ_\mathrm{o}\approx R_\mathrm{C} であり、典型的に数 kΩ\mathrm{k\Omega} 程度です。
    • 他方、エミッタホロワの出力インピーダンスの近似値 Zohie/hfeZ_\mathrm{o}\approx h_\mathrm{ie}/h_\mathrm{fe} は、前述したように典型的には数 Ω\Omega ~数十 Ω\Omega 程度です。

緩衝増幅器として

電圧増幅度が1以下であり、入力インピーダンスが高く、出力インピーダンスが低いという特徴から、エミッタホロワは信号増幅よりも、回路のインピーダンス変換のために利用されます。 では、インピーダンス変換とは何で、どのような効果があるのか、例を挙げて説明します。

エミッタホロワのない場合の問題点

まず、下図のような電流帰還バイアス回路を用いたエミッタ接地増幅回路の電圧増幅度を考えます。

エミッタ接地増幅回路の例

簡易等価回路から、電圧増幅度 AvA_\mathrm{v} は次式で表されます(詳細は第4回の記事を参照)。

Av=RCRLRC+RLhfehieA_\mathrm{v}=-\frac{R_\mathrm{C}R_\mathrm{L}}{R_\mathrm{C}+R_\mathrm{L}}\cdot\frac{h_\mathrm{fe}}{h_\mathrm{ie}}

上式を見ると、電圧増幅度が後段の RLR_\mathrm{L} に依存することが分かります。 特に、RL0R_\mathrm{L}\approx0 の場合を考えると Av0A_\mathrm{v}\approx0 となってしまい、増幅回路の意味をなさなくなります。 このように低インピーダンスないわゆる「重い負荷」を直接出力端に接続した場合、電圧増幅度が大きく低下してしまいます(問題点1)。

また、エミッタ接地増幅回路の出力インピーダンスは、簡易等価回路で計算すると RCR_\mathrm{C} と等しくなるため、典型的に数 kΩ\mathrm{k\Omega} 程度です。 RLR_\mathrm{L} の前段を電圧源とするテブナン等価回路を考えると、電圧源の内部抵抗 RoR_\mathrm{o} はエミッタ接地増幅回路の出力インピーダンス RoRCR_\mathrm{o}\approx R_\mathrm{C} となるため、RLR_\mathrm{L} には数 kΩ\mathrm{k\Omega} という高い内部抵抗をもつ電源が接続されているのと同じ状態です。 そんな電源に数 Ω\OmegaRLR_\mathrm{L} を接続しても、出力信号はほとんど RoR_\mathrm{o} に分圧され、RLR_\mathrm{L} から取り出せるのはごくわずかとなります(問題点2)。

エミッタホロワによる改善

次に、下図のようにエミッタ接地増幅回路と負荷の間にエミッタホロワを挿入します2

エミッタホロワを用いた2石アンプの構成例

この回路では、エミッタホロワの Tr2\mathrm{Tr}_2 の入力インピーダンスがエミッタ接地増幅回路の負荷抵抗となります。

上述のとおり、エミッタホロワの入力インピーダンスはどんなに低い負荷抵抗が接続されても hieh_\mathrm{ie} を下回ることはありません。 hieh_\mathrm{ie} は典型的に数百 Ω\Omega ~数 kΩ\mathrm{k\Omega} 程度あり、最低でもそれだけの入力インピーダンスが保証されているので、エミッタホロワの出力端にどんなに低い RLR_\mathrm{L} を接続しても、エミッタ接地増幅回路はある程度の電圧増幅度を維持することができます。 このため問題点1が改善されます。

さらに、エミッタホロワの出力インピーダンスは前述のとおり典型的に数 Ω\Omega ~ 数十 Ω\Omega と低いため、より振幅の大きな出力信号電圧を RLR_\mathrm{L} に届けることができます。 このため問題点2も改善されます。

このように、エミッタホロワと組み合わせることにより、より低インピーダンスな負荷を駆動させることが可能となります。

まとめ

エミッタホロワをエミッタ接地増幅回路の後段に置くことで、「重い負荷」を接続した際の挙動が次のように改善されます。

  1. エミッタホロワの入力インピーダンスが高いので、エミッタ接地増幅回路の電圧増幅度の低下が抑制される。
  2. エミッタホロワの出力インピーダンスが低いので、より大きな出力電圧を負荷抵抗に伝達することができる。

エミッタホロワが前段の増幅回路と後段の負荷抵抗の相互作用を低減し、両者を分離する役目を果たしています。

このように、後段が前段の動作に影響するのを防いだり、逆に前段が後段の動作に影響するのを防いだりといった働きをする増幅回路を緩衝増幅器と呼びます。 緩衝増幅器はバッファアンプやバッファ回路とも呼びます。

図式解析

重い負荷を接続し、大電流を出力する場合、トランジスタの特性は非線形性が際立ち、小信号等価回路の近似の精度が低下していきます。 このような大振幅動作を解析するには、負荷線による図式解析が有効です。

エミッタ電流がコレクタ電流とほぼ等しいことを利用すると、第3回の記事で説明したのと同様の方法で出力特性のグラフに直流負荷線や交流負荷線を記入することができます。 したがって、動作点の設定や増幅動作の図式解析はエミッタ接地回路と同様に行えるはずです。

出力特性に交流負荷線を重ねることで、電圧波形のクリッピング(値が高止まりまたは下げ止まりすること)の発生を視覚的に把握することができます。

特に負荷抵抗が低い場合は交流負荷線の傾きが大きくなるため、vcev_\mathrm{ce} の振幅が小さくても動作が遮断領域に及び、クリッピングが発生しやすくなります。 このような場合は、交流負荷線の傾きを考慮してバイアス電流 IB0I_\mathrm{B0} をある程度多めに流すように動作点を設定することで、一定の対策とすることができます。

おわりに

トランジスタ回路の学習の第5回となる今回は、エミッタホロワについて深掘りしました。

コレクタ接地回路はエミッタ接地回路とは全く異なるものと思いきや、バイアス方式から増幅度・インピーダンスの計算、それに負荷線まで、エミッタ接地回路と同じ考え方を適用することができました。 前回までで基礎固めができていれば分かりやすい内容だったと思います。

今回は新たに緩衝増幅器の役割とともに、入力インピーダンスや出力インピーダンスが回路の前段や後段に及ぼす影響についても学びました。 回路の動作がブロック図で説明されることがありますが、そうしたブロック図で表現されることのないブロック間の相互作用が存在する可能性を、回路ベースで理解しました。

今回登場した「エミッタ接地増幅回路+エミッタホロワ」の2段構成の増幅回路は、古典的な「2石アンプ」(2個のトランジスタを用いた増幅器)として広く知られています。 大規模な電子回路であっても、こうした小さな要素の組み合わせで構成されているのかと思うと興味深いです。

回路図のソースコード

回路図は CircuiTikZ\rm{CircuiTi}\it{k}\rm{Z} を用いて LaTeX\LaTeX で作成しています。 ソースコードは以下のとおりです。

エミッタホロワ (emitter-follower.tex)

エミッタホロワ(分圧方式)

% Emitter Follower (fixed/voltage divider bias)
\documentclass[border=3mm]{standalone}
\usepackage{tikz}
\usepackage{circuitikz}
\usetikzlibrary{calc}
\ctikzset{transistors/arrow pos=end}
\usepackage{newtxtext,newtxmath}
\pagecolor{white}
\begin{document}
\begin{tikzpicture}
\draw (0,0) node[npn](Tr) {};
\draw[thick] ($(Tr)-(0.35,0)$) circle [radius=13pt] node[right=13pt] {Tr};
\draw(Tr.E)
    to[european resistor, l_=$R_\mathrm{E}$, -*] ++(0,-2)
    coordinate(tmp3) % below Re
    to[short] ++(2,0)
    coordinate(tmp6) % below Rl
    to[short] ++(2.5,0)
    to[battery2, invert, l_=$V_\mathrm{CC}$] ++(0,5.1)
    to[short] ++(-4.5,0)
    coordinate(tmp1) % above Rc
    to[short] ++(0,-2)
    to[short] (Tr.C);
% %%% [BEGIN] For fixed bias: Rb %%%
% \draw(tmp1)
%     to[short, *-] ++(-1.5,0)
%     to[european resistor, l_=$R_\mathrm{B}$] ++(0,-2.3) |- (Tr.B)
%     node[pos=0.5, coordinate] (tmp5) {};
% %%%  [END]  For fixed bias: Rb %%%
%%% [BEGIN] For voltage divider bias: R1, R2 %%%
\draw(tmp1)
    to[short, *-] ++(-1.5,0)
    to[european resistor, l_=$R_1$] ++(0,-2.3) |- (Tr.B)
    node[pos=0.5, coordinate] (tmp5) {};
\draw(tmp3)
    to[short, -*] ++(-1.5,0)
    to[european resistor, l=$R_2$] ++(0,+2.8) |- (Tr.B);
%%%  [END]  For voltage divider bias: R1, R2 %%%
\draw(tmp5) to[short, *-] (Tr.B);
\draw(Tr.E)
    to[C, l_=$C_\mathrm{o}$, *-] ++(2,0)
    coordinate(tmp7)
    to[european resistor, l=$R_\mathrm{L}$, o-o] (tmp6);
\draw(tmp5)
    to[C, l=$C_\mathrm{i}$, -o] ++(-1.5,0)
    coordinate(tmp8);
\draw(tmp3)
    to[short] ++(-3,0)
    coordinate(tmp9)
    to[short, o-] ++(-1,0)
    to[european resistor, l=$R_\mathrm{S}$] ++(0,1.6)
    to[sV=$v_\mathrm{S}$] ++(0,1) |- (tmp8) to[short, -o] (tmp8);
\draw(tmp7) to[short, o-] ++(1.3,0);
\draw[-latex] ($(tmp6)+(1.2,0.2)$) -- ($(tmp7)+(1.2,-0.2)$)
    node[pos=0.5, right] {$V_\mathrm{o}$};
\draw[-latex] ($(tmp9)+(0,0.2)$) -- ($(tmp8)+(0,-0.2)$)
    node[pos=0.5, left] {$V_\mathrm{i}$};
\end{tikzpicture}
\end{document}
簡易等価回路(オリジナル) (simple-equiv-circuit-original.tex)

簡易等価回路(オリジナル)

% Simple Equivalent Circuit (original)
\documentclass[border=3mm]{standalone}
\usepackage{tikz}
\usepackage{circuitikz}
\usepackage{newtxtext,newtxmath}
\pagecolor{white}
\begin{document}
\begin{tikzpicture}
%%% [BEGIN] equivalent circuit of common emitter BJT %%%
\draw (0,0) to[european resistor, l_=$h_\mathrm{ie}$] ++(0,-1.75);
\draw (1.5,0) to[american current source, l=$h_\mathrm{fe}i_\mathrm{b}$] ++(0,-1.75);
\draw (0,0) to[short, f<_=$i_\mathrm{b}$] ++(-1,0);
\draw (1.5,0) to[short] ++(1.5,0) to[short] ++(0,-3.5);
\draw (-1,-3.5) to[short] (3,-3.5);
\draw (0,-1.75) to[short] ++(1.5,0);
%%%  [END]  equivalent circuit of common emitter BJT %%%
\draw (0.75,-1.75) to[european resistor, l=$R_\mathrm{E}$, *-*] ++(0,-1.75);
%%% [BEGIN] input %%%
\draw (-1,0) to[european resistor, l_=$R_\mathrm{B}$, *-*] ++(0,-3.5);
\draw (-1,0) to[short, -o] ++(-1,0) to[short, f<_=$i_\mathrm{i}$] ++(-1,0)
    to[sV_<=$v_\mathrm{S}$] ++(0,-1.5)
    to[european resistor, l_=$R_\mathrm{S}$] ++(0,-2)
    to[short] ++(1,0) to[short, o-] ++(1,0);
\draw[-latex] (-2,-3.3) -- (-2,-0.2) node[pos=0.5, left] {$v_\mathrm{i}$};
%%%  [END]  input %%%
%%% [BEGIN] output %%%
\draw (1.5,-1.75) to[short, *-o] ++(2.5,0) to[short, f<=$i_\mathrm{o}$] ++(1,0)
    to[european resistor, l=$R_\mathrm{L}$] ++(0,-1.75) to[short] ++(-1,0)
    to[short, o-*] ++(-1,0);
\draw[-latex] (4,-3.3) -- (4,-1.95) node[pos=0.5, right] {$v_\mathrm{o}$};
%%%  [END]  output %%%
\end{tikzpicture}
\end{document}
簡易等価回路(変形後) (simple-equiv-circuit-transformed.tex)

簡易等価回路(変形後)

% Simple Equivalent Circuit (transformed)
\documentclass[border=3mm]{standalone}
\usepackage{tikz}
\usepackage{circuitikz}
\usepackage{newtxtext,newtxmath}
\pagecolor{white}
\begin{document}
\begin{tikzpicture}
%%% [BEGIN] equivalent circuit of common collector BJT %%%
\draw (1,-3.5) to[american current source, l=$h_\mathrm{fe}i_\mathrm{b}$, *-*] ++(0,3.5);
\draw (-2,0) to[european resistor, l=$h_\mathrm{ie}$, f>^=$i_\mathrm{b}$] ++(3,0)
    to[short, f=$(h_\mathrm{fe}+1)i_\mathrm{b}$] ++(2,0);
\draw (-2,-3.5) to[short] (3,-3.5);
%%%  [END]  equivalent circuit of common collector BJT %%%
%%% [BEGIN] input %%%
\draw (-2,0) to[european resistor, l_=$R_\mathrm{B}$, *-*] ++(0,-3.5);
\draw (-2,0) to[short, -o] ++(-1,0) to[short, f<_=$i_\mathrm{i}$] ++(-1,0)
    to[sV_<=$v_\mathrm{S}$] ++(0,-1.5)
    to[european resistor, l_=$R_\mathrm{S}$] ++(0,-2)
    to[short] ++(1,0) to[short, o-] ++(1,0);
\draw[-latex] (-3,-3.3) -- (-3,-0.2) node[pos=0.5, left] {$v_\mathrm{i}$};
%%%  [END]  input %%%
%%% [BEGIN] output %%%
\draw (3,0) node[above] {E} to[european resistor, l=$R_\mathrm{E}$, *-*] ++(0,-3.5);
\draw (3,0) to[short, -o] ++(1,0) to[short, f<=$i_\mathrm{o}$] ++(1,0)
    to[european resistor, l=$R_\mathrm{L}$] ++(0,-3.5) to[short] ++(-1,0)
    to[short, o-] ++(-1,0);
\draw[-latex] (4,-3.3) -- (4,-0.2) node[pos=0.5, right] {$v_\mathrm{o}$};
%%%  [END]  output %%%
\end{tikzpicture}
\end{document}
エミッタホロワを用いた2石アンプの構成例 (amp-with-emitter-follower.tex)

エミッタホロワを用いた2石アンプの構成例

% Common Emitter Amplifier w/ Emitter Follower (voltage divider bias)
\documentclass[border=3mm]{standalone}
\usepackage{tikz}
\usepackage{circuitikz}
\usetikzlibrary{calc}
\ctikzset{transistors/arrow pos=end}
\usepackage{newtxtext,newtxmath}
\pagecolor{white}
\begin{document}
\begin{tikzpicture}
\draw (0,0) node[npn](Tr1) {};
\draw[thick] ($(Tr1)-(0.35,0)$) circle [radius=13pt] node[right=13pt] {$\mathrm{Tr}_1$};
\draw(Tr1.E)
    to[european resistor, l_=$R_4$] ++(0,-2) % R_\mathrm{E}
    coordinate(tmp3) % below Re
    to[short] ++(7,0)
    to[battery2, invert, l_=$V_\mathrm{CC}$] ++(0,5.6)
    to[short] ++(-7,0)
    coordinate(tmp1) % above Rc
    to[european resistor, l_=$R_3$] ++(0,-2) % R_\mathrm{C}
    to[short] (Tr1.C);
\draw(tmp1)
    to[short, *-] ++(-1.5,0)
    to[european resistor, l_=$R_1$] ++(0,-2.8) |- (Tr1.B)
    node[pos=0.5, coordinate] (tmp5) {};
\draw(tmp5) to[short, *-] (Tr1.B);
\draw(tmp3)
    to[short, *-] ++(-1.5,0)
    to[european resistor=$R_2$, *-] (tmp5);
%%% [BEGIN] Bypass capacitor %%%
\draw(Tr1.E)
    to[short, *-] ++(1.3,0)
    to[C, l_=$C_1$, -*] ++(0,-2); % C_\mathrm{E}
%%%  [END]  Bypass capacitor %%%
%%% [BEGIN] input %%%
\draw(tmp5)
    to[C, l=$C_\mathrm{i}$, -o] ++(-1.5,0)
    coordinate(tmp8);
\draw(tmp3)
    to[short] ++(-3,0)
    coordinate(tmp9)
    to[short, o-] ++(-1,0)
    to[european resistor, l=$R_\mathrm{S}$] ++(0,1.6)
    to[sV=$v_\mathrm{S}$] ++(0,1) |- (tmp8) to[short, -o] (tmp8);
\draw[-latex] ($(tmp9)+(0,0.2)$) -- ($(tmp8)+(0,-0.2)$)
    node[pos=0.5, left] {$V_\mathrm{i}$};
%%%  [END]  input %%%
%%% [BEGIN] Emitter follower %%%
\draw (Tr1.C) to[short, *-] ++(2.1,0) node[npn, anchor=B](Tr2) {};
\draw[thick] ($(Tr2)-(0.35,0)$) circle [radius=13pt] node[right=13pt] {$\mathrm{Tr}_2$};
\draw (Tr2.E) to[european resistor, l_=$R_5$, -*] (Tr2.E |- tmp3); % R_\mathrm{E}
\draw (Tr2.C) to[short, -*] (Tr2.C |- tmp1);
%%%  [END]  Emitter follower %%%
%%% [BEGIN] output %%%
\draw(Tr2.E)
    to[C, l_=$C_\mathrm{o}$, *-] ++(1.5,0)
    coordinate(tmp7)
    to[european resistor, l=$R_\mathrm{L}$, o-o] (tmp7 |- tmp3)
    coordinate(tmp6); % below Rl
\draw(tmp7) to[short, o-] ++(1.3,0);
\draw[-latex] ($(tmp6)+(1.2,0.2)$) -- ($(tmp7)+(1.2,-0.2)$)
    node[pos=0.5, right] {$V_\mathrm{o}$};
%%%  [END]  output %%%
\end{tikzpicture}
\end{document}
小信号等価回路(練習問題) (equiv-circuit-transformed.tex)

小信号等価回路(練習問題)

% Equivalent Circuit (transformed)
\documentclass[border=3mm]{standalone}
\usepackage{tikz}
\usepackage{circuitikz}
\usepackage{newtxtext,newtxmath}
\pagecolor{white}
\begin{document}
\begin{tikzpicture}
%%% [BEGIN] equivalent circuit of common collector BJT %%%
\draw (2.5,-3.5) to[american current source, l=$h_\mathrm{fe}i_\mathrm{b}$, *-*] ++(0,3.5);
\draw (4.5,-3.5) to[european resistor, l=$1/h_\mathrm{oe}$, *-*] ++(0,3.5);
\draw (-2,0) to[short, f>^=$i_\mathrm{b}$] ++(1,0) to[european resistor, l=$h_\mathrm{ie}$] ++(1.5,0)
    to[sV<=$h_\mathrm{re}v_\mathrm{ce}$, sources/symbol/rotate=auto] ++(2,0)
    to[short, f=$(h_\mathrm{fe}+1)i_\mathrm{b}$] ++(2,0) to[short, -o] ++(1,0);
\draw (-2,-3.5) to[short, -o] (5.5,-3.5);
\draw[latex-] (5.5,-3.3) -- (5.5,-0.2) node[pos=0.5, right] {$v_\mathrm{ce}$};
%%%  [END]  equivalent circuit of common collector BJT %%%
%%% [BEGIN] input %%%
\draw (-2,0) to[european resistor, l_=$R_\mathrm{B}$, *-*] ++(0,-3.5);
\draw (-2,0) to[short, -o] ++(-1,0) to[short, f<_=$i_\mathrm{i}$] ++(-1,0)
    to[sV_<=$v_\mathrm{S}$] ++(0,-1.5)
    to[european resistor, l_=$R_\mathrm{S}$] ++(0,-2)
    to[short] ++(1,0) to[short, o-] ++(1,0);
\draw[-latex] (-3,-3.3) -- (-3,-0.2) node[pos=0.5, left] {$v_\mathrm{i}$};
%%%  [END]  input %%%
%%% [BEGIN] output %%%
\draw (6.5,0) to[european resistor, l=$R_\mathrm{E}$, *-*] ++(0,-3.5);
\draw (5.5,0) node[above] {E} to[short, o-o] ++(2,0) to[short, f<=$i_\mathrm{o}$] ++(1,0)
    to[european resistor, l=$R_\mathrm{L}$] ++(0,-3.5) to[short] ++(-1,0)
    to[short, o-o] ++(-2,0) node[below] {C};
\draw[-latex] (7.5,-3.3) -- (7.5,-0.2) node[pos=0.5, right] {$v_\mathrm{o}$};
%%%  [END]  output %%%
\end{tikzpicture}
\end{document}
エミッタホロワ(練習問題) (emitter-follower-unloaded.tex)

エミッタホロワ(練習問題・分圧方式)

% Emitter Follower (unloaded, fixed/voltage divider bias)
\documentclass[border=3mm]{standalone}
\usepackage{tikz}
\usepackage{circuitikz}
\usetikzlibrary{calc}
\ctikzset{transistors/arrow pos=end}
\usepackage{newtxtext,newtxmath}
\pagecolor{white}
\begin{document}
\begin{tikzpicture}
\draw (0,0) node[npn](Tr) {};
\draw[thick] ($(Tr)-(0.35,0)$) circle [radius=13pt] node[right=13pt] {Tr};
\draw(Tr.E)
    to[european resistor, l_=$R_\mathrm{E}$, -*] ++(0,-2)
    coordinate(tmp3) % below Re
    to[short, -o] ++(2.5,0)
    coordinate(tmp6) % below Rl
    to[short] ++(1,0)
    to[battery2, invert, l_=$V_\mathrm{CC}$] ++(0,5.1)
    to[short] ++(-3.5,0)
    coordinate(tmp1) % above Rc
    to[short] ++(0,-2)
    to[short] (Tr.C);
% %%% [BEGIN] For fixed bias: Rb %%%
% \draw(tmp1)
%     to[short, *-] ++(-1.5,0)
%     to[european resistor, l_=$R_\mathrm{B}$] ++(0,-2.3) |- (Tr.B)
%     node[pos=0.5, coordinate] (tmp5) {};
% %%%  [END]  For fixed bias: Rb %%%
%%% [BEGIN] For voltage divider bias: R1, R2 %%%
\draw(tmp1)
    to[short, *-] ++(-1.5,0)
    to[european resistor, l_=$R_1$] ++(0,-2.3) |- (Tr.B)
    node[pos=0.5, coordinate] (tmp5) {};
\draw(tmp3)
    to[short, -*] ++(-1.5,0)
    to[european resistor, l=$R_2$] ++(0,+2.8) |- (Tr.B);
%%%  [END]  For voltage divider bias: R1, R2 %%%
\draw(tmp5) to[short, *-] (Tr.B);
\draw(Tr.E)
    to[C, l_=$C_\mathrm{o}$, *-o, f=$i_\mathrm{o}$] ++(2.5,0)
    coordinate(tmp7);
\draw(tmp5)
    to[C, l=$C_\mathrm{i}$, -o] ++(-1.5,0)
    coordinate(tmp8);
\draw(tmp3)
    to[short] ++(-3,0)
    coordinate(tmp9)
    to[short, o-] ++(-1,0)
    to[sV=$v_\mathrm{S}$, f=$i_\mathrm{i}$] ++(0,2.75) |- (tmp8) to[short, -o] (tmp8);
\draw[-latex] ($(tmp6)+(0,0.2)$) -- ($(tmp7)+(0,-0.2)$)
    node[pos=0.5, right] {$v_\mathrm{o}$};
\draw[-latex] ($(tmp9)+(0,0.2)$) -- ($(tmp8)+(0,-0.2)$)
    node[pos=0.5, left] {$v_\mathrm{i}$};
\end{tikzpicture}
\end{document}

脚注

  1. 分圧方式の場合は電流帰還バイアス回路と同様に、RB=R1R2/(R1+R2)R_\mathrm{B}=R_1R_2/(R_1+R_2) と置き換えるだけで全く同じ等価回路を用いることができます。

  2. 上図の回路では、段間の結合コンデンサやエミッタホロワのバイアスのための抵抗がありません。エミッタ接地増幅回路の出力に含まれる直流成分をそのままトランジスタのバイアス電圧として活用すれば、バイアス抵抗は必要ないからです。