共通コレクタ

電子工学において、共通コレクタ 増幅器(エミッタ フォロワとも呼ばれる) は、3 つの基本的なシングル ステージバイポーラ接合トランジスタ(BJT) 増幅器トポロジの 1 つであり、通常は電圧バッファとして使用されます。

この回路では、トランジスタのベース端子が入力として機能し、エミッタが出力となり、コレクタは両方に共通（たとえば、接地基準または電源レールに接続できる）であるため、この名前が付けられています。類似の電界効果トランジスタ回路は共通ドレイン増幅器であり、類似の真空管回路はカソードフォロワです。

この回路は、トランジスタが負帰還の制御下にあると見なすことで説明できます。この観点から、共通コレクタ段 (図 1) は、完全な直列負帰還を備えた増幅器です。この構成 (β = 1 の図 2) では、出力電圧V _{out全体が入力電圧}V _inと逆方向に直列に配置されます。したがって、2 つの電圧はキルヒホッフの電圧法則(KVL)に従って減算され(機能ブロック図の減算器は入力ループによってのみ実装されます)、その差V _diff = V _in − V _outがベース - エミッタ接合に適用されます。トランジスタはV _{diff を}継続的に監視し、コレクタ電流をエミッタ抵抗 R _{Eに流すことによって、エミッタ電圧を}V in_からほぼ一定のV _{BE を}引いた値に等しくなるように調整します。その結果、出力電圧はV _BEからV ₊までの入力電圧の変動に追従します。これが「エミッタ フォロワ」という名前です。

直感的に、この動作は、V _{BE が}バイアスの変化に非常に鈍感であるため、ベース電圧の変化が (ほぼ正確に) エミッタに直接伝達されることを理解することでも理解できます。トランジスタはこれらの外乱に反応して平衡を回復するため、さまざまな外乱 (トランジスタの許容誤差、温度変化、負荷抵抗、追加された場合はコレクタ抵抗など) にわずかに依存します。入力電圧が正のレールに達しても、飽和することはありません。

共通コレクタ回路は数学的に電圧利得がほぼ 1 であることが示されます。

${\displaystyle A_{v}={\frac {v_{\text{out}}}{v_{\text{in}}}}\approx 1.}$

入力端子の小さな電圧変化は出力に反映されます（トランジスタのゲインと負荷抵抗の値に若干依存します。以下のゲイン式を参照してください）。この回路は入力インピーダンスが大きいため便利です。

${\displaystyle r_{\text{in}}\approx \beta _{0}R_{\text{E}},}$

前の回路に負荷をかけず、出力インピーダンスが小さい

${\displaystyle r_{\text{out}}\approx {\frac {R_{\text{E}}\parallel R_{\text{source}}}{\beta _{0}}},}$

低抵抗負荷を駆動することができます。

通常、エミッタ抵抗はかなり大きいため、式から削除できます。

${\displaystyle r_{\text{out}}\approx {\frac {R_{\text{source}}}{\beta _{0}}}.}$

共通コレクタ アンプの出力インピーダンスが低いため、出力インピーダンスの大きいソースは、電圧を変えずに小さな負荷インピーダンスを駆動できます。したがって、この回路は電圧バッファとして応用できます。言い換えると、この回路は電圧ゲインではなく電流ゲイン (トランジスタのh _FEに大きく依存) を持っています。入力電流が少し変化すると、出力負荷に供給される出力電流が大きく変化します。

バッファ動作の 1 つの側面は、インピーダンスの変換です。たとえば、高テブナン抵抗の電圧源によって駆動される電圧フォロワの組み合わせのテブナン抵抗は、電圧フォロワの出力抵抗 (小さな抵抗) のみに減少します。この抵抗の減少により、組み合わせはより理想的な電圧源になります。逆に、小さな負荷抵抗と駆動段の間に挿入された電圧フォロワは、駆動段に大きな負荷を与えます。これは、電圧信号を小さな負荷に結合する場合に有利です。

この構成は、クラスBおよびクラスABアンプの出力段でよく使用されます。ベース回路は、トランジスタをクラスBまたはABモードで動作するように変更されます。クラスAモードでは、直線性や効率を向上させるために、 R _Eの代わりにアクティブ電流源が使用されることがあります（図4）。^[1]

低周波数で簡略化されたハイブリッドπモデルを使用すると、次の小信号特性を導くことができます。(パラメータと平行線は並列のコンポーネントを示します。) ${\displaystyle \beta =g_{m}r_{\pi }}$

テブナン等価電源抵抗はどこにありますか。 ${\displaystyle R_{\text{source}}\ }$

図 5 は、図 3 の回路の低周波ハイブリッド π モデルを示しています。オームの法則を使用して、さまざまな電流が決定され、その結果が図に示されています。エミッタにキルヒホッフの電流法則を適用すると、次のようになります。

${\displaystyle (\beta +1){\frac {v_{\text{in}}-v_{\text{out}}}{R_{\text{S}}+r_{\pi }}}=v_{\text{out}}\left({\frac {1}{R_{\text{L}}}}+{\frac {1}{r_{\text{O}}}}\right).}$

次の抵抗値を定義します。

${\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {1}{R_{\text{E}}}}&={\frac {1}{R_{\text{L}}}}+{\frac {1}{r_{\text{O}}}},\\[2pt]R&={\frac {R_{\text{S}}+r_{\pi }}{\beta +1}}.\end{aligned}}}$

次に項をまとめると電圧利得が求められます。

${\displaystyle A_{\text{v}}={\frac {v_{\text{out}}}{v_{\text{in}}}}={\frac {1}{1+{\frac {R}{R_{\text{E}}}}}}.}$

この結果から、分母の抵抗比が小さい場合、ゲインは（バッファアンプで予想されるように）1に近づきます。この比率は、電流ゲイン β の値が大きいほど、また の値が大きくなるほど小さくなります。入力抵抗は次のように求められます。 ${\displaystyle R_{\text{E}}}$

${\displaystyle {\begin{aligned}R_{\text{in}}&={\frac {v_{\text{in}}}{i_{\text{b}}}}={\frac {R_{\text{S}}+r_{\pi }}{1-A_{\text{v}}}}\\&=\left(R_{\text{S}}+r_{\pi }\right)\left(1+{\frac {R_{\text{E}}}{R}}\right)\\&=R_{\text{S}}+r_{\pi }+(\beta +1)R_{\text{E}}.\end{aligned}}}$

トランジスタの出力抵抗は通常、負荷 に比べて大きいため、を支配します。この結果から、大きな電流ゲインの場合、アンプの入力抵抗は出力負荷抵抗よりもはるかに大きくなります。つまり、アンプを負荷とソースの間に配置すると、 に直接結合する場合よりもソースに大きな (高抵抗の) 負荷がかかり、電圧分割の結果としてソースインピーダンスでの信号減衰が少なくなります。 ${\displaystyle r_{\text{O}}}$${\displaystyle R_{\text{L}}}$${\displaystyle R_{\text{L}}}$${\displaystyle R_{\text{E}}}$${\displaystyle R_{\text{L}}}$${\displaystyle \beta }$${\displaystyle R_{\text{L}}}$${\displaystyle R_{\text{S}}}$

図6は、図5の小信号回路の入力を短絡し、出力に試験電流を流した状態を示している。この回路を使用して出力抵抗は次のように求められる。

${\displaystyle R_{\text{out}}={\frac {v_{\text{x}}}{i_{\text{x}}}}.}$

オームの法則を用いると、図に示すようにさまざまな電流が求められます。ベース電流の項を集めると、ベース電流は次のように求められます。

${\displaystyle (\beta +1)i_{\text{b}}=i_{\text{x}}-{\frac {v_{\text{x}}}{R_{\text{E}}}},}$

ここで、は上で定義されています。この値をベース電流として使用すると、オームの法則は次のようになります。 ${\displaystyle R_{\text{E}}}$

${\displaystyle v_{\text{x}}=i_{\text{b}}\left(R_{\text{S}}+r_{\pi }\right).}$

基本電流を代入して項をまとめると、

${\displaystyle R_{\text{out}}={\frac {v_{\text{x}}}{i_{\text{x}}}}=R\parallel R_{\text{E}},}$

ここで、|| は並列接続を示し、は上記で定義されています。一般に、電流ゲインが大きい場合の抵抗は小さいため、出力インピーダンスを支配し、したがって出力インピーダンスも小さくなります。出力インピーダンスが小さいということは、元の電圧源と電圧フォロワの直列接続により、出力ノードでのテブナン抵抗が低いテブナン電圧源が得られることを意味します。つまり、電圧源と電圧フォロワの組み合わせにより、元の電圧源よりも理想的な電圧源が実現されます。 ${\displaystyle R}$${\displaystyle R}$${\displaystyle \beta }$${\displaystyle R}$

• 共通基盤
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• IC電源ピン
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• 2ポートネットワーク

• R Victor Jones: 基本的な BJT アンプ構成
• NPN 共通コレクタアンプ — HyperPhysics
• セオドア・パヴリック: ECE 327: トランジスタの基礎; パート 6: npn エミッタ フォロワ
• ダグ・ギングリッチ：共通コレクターアンプ アルバータ大学
• レイモンド・フレイ：オレゴン大学の研究室演習