集積電子回路設計Part 1:電子回路の基礎

千葉大学工学部電気電子工学科

橋本研也

平成27年9月10日版

pn接合ダイオードアノード

カソード

p

n

+

-

I

アノード

カソード

p

n

-

+

空乏層幅

(電圧依存)

0.6～0.7V(Siの場合)

V0

ダイオードのV-Iカーブ

I

]1)/[exp(0 TVVII

I0: 逆方向電流

VT(=kT/e): 熱電圧(26mV)

e:素電荷、k:ボルツマン定数

T:絶対温度

+5V

R0

IL

0.6～0.7V(Siの場合)

V0

ダイオードのV-Iカーブ

I

0

6.05R

IL

ダイオードの動作特性

R0

ILV0(>>|v|)

vcos(t)

LvLL III 0

tvIVI

RI

L

TLv

L

cos

6.05

1

0

00

ここで

実効的な抵抗

IC

IB

VCE

IC

IB

VCE

VBE

トランジスタの静特性

VBEとIBの関係はダイオードで記述可能

トランジスタの等価回路

rb

ibib

B

C

Erb:ベース領域の電気抵抗

ib

vbe vce

hie

hrevce

ic

hfeib -1hoe

b

ce

feoe

iere

c

be

iv

hhhh

iv

ハイブリッドパラメータ

0

0

小信号に対する2-port測定により全パラメータ決定可能

B C

EE

IC+ic

IB+ib

VCEVBE

vbe

vce

hie (re)、hfe (=)はIC(もしくはIB)の関数

解析の極意（その１）良い設計であれば

•トランジスタのベース電流は無視可能

•トランジスタの利得はほぼ無限

0VBE

ibib

B

C

E

B

C

E

小信号モデル ナレータ・ノレータモデル(直流成分)

電流は流れないが等電位(ナレータ)

周囲によって決まる電流源 (ノレータ)

+5V +48V

M

IC2

R0

5V

R0 IL

IB

IB1 IB2

IC1

0

5RVI BE

B

0

212122

0

211111

)5(

)5(

RVVII

RVVII

BEBEBM

BEBEBc

21

21

BEBEBE VVV

ダーリントン接続

実効的な定数

逆起電力短絡用

0

)5(R

VII BEBL

(低電力)増幅器理解への要点• 無信号(定常)状態からの変動を出力として検出

• 無信号状態は直流成分のみ、変動成分には交流成分のみ。両者をコンデンサで分離

• コンデンサのインピーダンス変動を無視できる設計⇒直流には開放、信号には短絡

• 定電圧電源は変動(交流)成分に対しては接地と等価

• トランジスタは温度安定性が悪い⇒トランジスタの特性が性能に影響しない回路設計が必要

• 電流増幅率、コレクタ抵抗は無限大、ベース抵抗零と見なせるように設計

コンデンサ結合増幅回路

VB

入力

出力

0

eout

RE

RB1

RB2

Cc1

RC

ein

Cc2 直流遮断用

バイアス電圧設定用

交流結合エミッタ接地増幅回路

バイアス電圧とは？

Vcc

解析の極意•コンデンサのZはDCで無限大、ACではほぼ零

•ACには電圧源は接地、電流源は開放

直流解析

eout

RE

RB1

RB2

RC

ein

Vcc

eout

RE

RB1

RB2

RC

ein

交流解析（小信号解析）

ib

ib

ibVB0

VE0

VC0

IC0

VB0=Vcc/(1+RB1/RB2)VE0=VB0-VBE, IC0=VE0/REVC0=Vcc-RcIC0

eout=-RCibein=(+1)REibG=eout/ein=-RC/(+1)RE-RC/RE

+5V +5V

eoutRE

eout

RE

RB1

RB2

Cc1

RC

ein ein

RB1

RB2

Cc1

Cc2

Cc2

エミッタ接地回路

（反転増幅）

コレクタ接地回路（エミッタフォロア：非反転増幅）

•電圧利得大(-RC/RE)

•入力インピーダンスZin小

•出力インピーダンスZout大

•電圧利得無(1)

•入力インピーダンスZin大

•出力インピーダンスZout小バッファアンプ

ib

ib

ib

ib

ib

入出力インピーダンスの解析（エミッタ接地の場合）

入力インピーダンスの計算

eout

RE

RB1

RB2

RC

ein

交流解析

ib

ib

Zin=ein/iin=RB1//RB2//RE

出力インピーダンスの計算

eout

RE

RB1

RB2

RC

ein

交流解析

ioutiin

Zout=eout/iout=Rc

:電流増幅率 トランジスタのコレクタ電流はBE間電位差のみに依存

コレクタ接地の場合

入力インピーダンスの計算

eoutRE

RB1

RB2

ein

交流解析

ib

ib

Zin=ein/iin=RB1//RB2//RE

出力インピーダンスの計算

eoutRE

RB1

RB2

ein

交流解析

iout

iin

Zout=eout/iout=(RB1//RB2)//RE

:電流増幅率

ib ib

トランジスタの影響でインピーダンスが変わる！

+5V

eout

RE

RB1

RB2

Cc1

RC

ein

Cc2

CE

本当のエミッタ接地回路

DCには開放

小信号には短絡

•電圧利得大(-RC/re)

•reは温度によって大きく変動

利得が温度によって大きく変動

eout

RE1

RB1

RB2

Cc1

RC1

ein

Cc2RC2

RE2RE3 CE

DC結合増幅器(高G、高Zin)

VB1

VB2

VE2

VB3

VE3

VC3

VB1=Vcc/(1+RB1/RB2)VB2=VB1-VBEVE2=VB2-VBEVB3=Vcc-VE2RC1/RE2VE3=VB3-VBEVC3=Vcc-VE3RC2/RE3

最大出力Vmax=Min[VB3-VBE, Vcc-VC3]電圧利得G=RC1RC2/RE2re

入力インピーダンスZin=RB1//RB2//RE1

出力インピーダンスZout=RC2

Vcc

DC結合増幅器(高G、高Zin、低Zout)

RB2

ein

Vcc

RB1

RE1RE2

RE3

RC

Cc2

Cc1

eout

VB1=Vcc/(1+RB1/RB2)VB2=VB1-VBE

VE2=VB2-VBE

VB3=Vcc-VE2RC/RE2

VE3=VB3-VBE

最大出力Vmax=Min[Vcc-VBE-VE3, VE3]電圧利得G=-RC/RE2

入力インピーダンスZin=RB1//RB2//RE1

出力インピーダンスZout=RC//RE3

VB1

VB2

VE2

VB3 VE3

FETの特性

ゲートはソースやドレインと誘電体で分離＝MOSFET

p-type substrate

GateDrainSource

n+n+

NチャネルMOS FET

ゲートをpn接合で分離＝接合型 FET

n-type substrate

Gate DrainSource

p

NチャネルJ-FET

n+n+

ID

VGS

VDS

ID

IGVDS

VGS

nチャネルFETの静特性

FETの小信号等価回路

G

D

S

gmvGS

vGS

gm:相互コンダクタンス

Vp

VGS

ID

Enhancement-typeDepletion-type

0

+5V

eout

RSRG

Cc1

RD

ein

Cc2

+5V

eout

RS

ein

RG1

RG2

Cc1

Cc2RD

ソース接地増幅回路(デプレッション型FET)

ソース接地増幅回路 (エンハンスメント型FET)

電力増幅器理解への要点

• 出力されない電力(直流電力-出力電力)は全て熱⇒電力効率(=出力電力/直流電力)が重要

• 有限なのため、放熱が重要（特に大出力の場合） 対策：放熱器やファンの設置

• 大振幅で動作するため、大きな歪が発生

• 誤動作や誤配線等の際に火災等の事故が発生しないように保護対策必要

• 電流の急激な変動に対しても電圧が変動しない安定な電源が必要

A級増幅器の電力効率Vcc

VLein

t

Vcc

0

VL

Vcc/2

2

0

2

0

)/2sin(2

11

)/2sin(11

cc

oT

occ

ccL

T

oL

VV

dtTtVVVTR

dtTtVTR

の最大値25% (Vo=Vcc/2の時)

B級電力増幅(push-pull回路)の電力効率

VL

ein

+Vcc

-Vcc

t

VL

+Vcc

-Vcc

0

A級増幅

入力

出力

0B級増幅

cc

oT

occL

T

oL

VV

dtTtVVTR

dtTtVTR

4)/2sin(21

)/2sin(21

2/

0

22/

0

の最大値78. 5% (Vo=Vccの時)

-24V

+24V

VL

ein

RB

RB

プッシュプル回路

バイアス電圧発生用

正の半周期増幅

負の半周期増幅

A級増幅

入力

出力

0B級増幅

AB級プッシュプル電力増幅回路

=若干バイアスを与えたB級動作

-24V

+24V

VLRB3

プッシュプル回路(その２)

RB1

RB2

ein

Cc

電圧シフタ 2VBEエミッタ接地増幅回路

eo-

RE

+12V

-12V -12V

RE

RC RC

RCM RCM

eo+ei+ ei-

差動増幅回路

+12V

カレントミラー回路エミッタ結合差動増幅回路

ICM=(24-VBE)/RCM

ICM(1--1) ICM

定電流源として動作

eo-

RERE

RC RCeo+

ei+ ei-

小信号等価回路

I1 I2 =-I1

21

2

1

IRVeIRVeIReIRe

EBEiEBEi

co

co

E

c

ii

oo

oo

RR

eeeeee

0

差動利得

同相利得＝０

+5V

RCM

eoutein

能動負荷

ICMICM

+12V

-12V

RCM

eo+ eo-ei+ ei-

ICM

ICM/2ICM/2

RB1

RB2

Cc1

電流源の小信号Zは無限大 → 利得無限大

ICM