電験三種 令和5年度上期 理論 問13｜電子回路（トランジスタ・増幅）

コレクタ接地増幅回路（エミッタホロワ）の性質を問う問題です（令和5年度上期 問13）。

この回路では，出力をエミッタの抵抗から取り出すので，出力電圧は入力電圧からベース－エミッタ間の電圧を引いた分になり，ほぼ入力と同じ大きさで変化します。電圧増幅度は約1です。

入力インピーダンスが大きく，出力インピーダンスが小さいので，回路と回路の間に入れる緩衝増幅器（バッファ）に使われます。

出力の全部が入力側に戻る強い負帰還がかかっているので，ひずみは小さくなります。「ひずみが大きい」とする(5)が誤りで，正答は(5)です。

【回路の見方】

コレクタは直流電源に直結されているので，交流的にはコレクタが接地（共通端子）になっています。入力はベース－コレクタ間，出力はエミッタ－コレクタ間（エミッタ抵抗Rₑの両端）です。

【各選択肢】

(1) 出力電圧は vₒ＝vᵢ－v_BE で，v_BE の変化は小さいので vₒ≒vᵢ。電圧増幅度は約1です。正しい。

(2) エミッタ抵抗Rₑに流れる電流はベース電流の約(1＋h_fe)倍なので，入力側から見るとRₑが約(1＋h_fe)倍に見えます。入力インピーダンスは h_ie＋(1＋h_fe)Rₑ と大きくなります。正しい。

(3) 逆に出力側から見ると，信号源側の抵抗が約1/(1＋h_fe)倍に見えるので，出力インピーダンスは小さくなります。正しい。

(4) 入力インピーダンスが大きく信号源に負担をかけず，出力インピーダンスが小さく負荷を変えても出力電圧が変わりにくいので，緩衝増幅器（バッファ）として使われます。正しい。

(5) 出力電圧がそのまま入力側の電圧から差し引かれる，帰還率1の電圧負帰還がかかっています。負帰還はひずみを小さくするので，「ひずみが大きい」は誤り。

正答は(5)です。

【負帰還としてのエミッタホロワ】

ベース－エミッタ間の電圧は v_BE＝vᵢ－vₒ です。出力vₒが大きくなりすぎると v_BE が小さくなって電流が減り，vₒを下げる向きに働きます。これは出力の全部（帰還率β＝1）を入力から差し引く負帰還そのものです。

負帰還をかけた増幅度は A/(1＋Aβ) で，トランジスタ自体の増幅度Aが大きいほど 1/β＝1 に近づきます。電圧増幅度が「約1」になるのはこのためです。負帰還には，ひずみや雑音を1/(1＋Aβ)に減らし，周波数特性を広げる効果があるので，エミッタホロワはひずみの小さい回路です。

【三つの接地方式の比較】

・エミッタ接地：電圧増幅度・電流増幅度とも大きい。入力インピーダンスは中程度。出力電圧は入力と逆位相

・ベース接地：電流増幅度は約1，電圧増幅度は大きい。入力インピーダンスが小さい

・コレクタ接地：電圧増幅度は約1，電流増幅度は大きい。入力インピーダンスが大きく，出力インピーダンスが小さい。出力は入力と同位相

この表の「約1」が電圧なのか電流なのかを取り違えないことが，この分野の問題の最大のポイントです。

【緩衝増幅器としての役割】

信号源の内部インピーダンスが大きいと，直接負荷をつないだときに電圧が大きく下がります。間にエミッタホロワを入れると，信号源からは大きな入力インピーダンスに見えて電流をほとんど取られず，負荷には小さな出力インピーダンスから電圧を供給できます。電圧は増幅しなくても，電流（電力）を増幅して「つなぎ役」を果たします。

【誤りの記述の作り方】

(5)は，「増幅度が1しかない＝性能が悪い回路」という印象から「ひずみが大きい」と思わせる記述です。実際には，増幅度を負帰還で1まで下げる代わりに，ひずみの少なさとインピーダンス変換の性能を得ている回路です。

【関連する出題パターン】

・エミッタ接地とコレクタ接地の入出力の位相関係

・h定数を使ったエミッタホロワの入力インピーダンスの計算

・負帰還増幅回路の増幅度 A/(1＋Aβ) の計算