トランジスタの使い方

2 本足の抵抗やコンデンサに比べて、3 本足のトランジスタの使い方は途端に難しく感じられます。

こういう、トランジスタが複雑に絡み合った回路を見ると、全くお手上げになってしまうかも。

しかし、このような複雑な回路も、基本的な 3 種類のトランジスタ回路の組み合わせにすぎません。

トランジスタの使い方

トランジスタは小さな電流・電圧で大きな電流・電圧を制御する素子です。電気的なバルブ、蛇口だと思ってください。

トランジスタには、アナログ的な使い方と、デジタル的な使い方があります。蛇口も同じです。蛇口を弱く回せば水流を調整することができますし、全開にすれば水のスイッチとして使えます。

トランジスタも、入力に比例して出力するようにしたり、ON/OFF のスイッチとして使うこともできます。

アナログ的な使い方は、たとえば、ラジオの微弱な信号を増幅してスピーカーで聞こえるようにしたり、センサの電流を増強して処理回路に渡したりします。

デジタル的な使い方は、たとえば、モーターの ON/OFF を制御したり、論理回路のゲートとして使うことです。

いろいろなトランジスタ

よく使われるトランジスタには大きく３種類あります。

	バイポーラトランジスタ BJT	電界効果トランジスタ MOS-FET	絶縁ゲートバイポーラトランジスタ IGBT
入力	電流	電圧	電圧
入力インピーダンス	低い	高い	高い
スイッチング速度	遅い	速い	中間

このような特徴から、アナログ回路には BJT、デジタル回路には FET、パワー回路には IGBT が使われることが多いです。

よく誤解されがちですが、BJT をデジタル的に、FET をアナログ的に使うこともできます。

バイポーラトランジスタ

トランジスタには、ベース・コレクタ・エミッタの 3 本のピンが生えています。

トランジスタは電流の蛇口です。コレクタ・エミッタ間電流を流す量を、ベースに流れる電流で制御します。

ベース・エミッタ間の電流の倍の電流をコレクタに流す。

また、トランジスタは電流を吸い込んだり、吐き出したりするわけではないので、キルヒホッフの法則から、

増幅率が十分大きいと仮定すると、

エミッタ接地

最も基本的な回路です。

コレクタ接地

定電圧電源として使えます

ベース接地

エミッタ接地に似た回路です。入力は負電圧です。

ダイオードとして使う

ベース-エミッタ間だけをみると、 PN 接合のダイオードとみなせます。

の電圧降下が欲しいときに使います。

定電流回路

抵抗だけで電流を決めると、電源電圧や負荷の変化をそのまま受けます。そこで、トランジスタを使って電流をだいたい一定にする回路を作ります。

一番簡単には、エミッタ抵抗に一定の電圧をかけます。

Vref ---- Base
           |
          BJT
           |
          Re
           |
          GND

ベース電圧をとすると、エミッタはだいたいになります。

なので、

これで、コレクタ側の負荷が多少変わっても電流が保たれます。もちろん完全な定電流ではありません。トランジスタにはのばらつき、の温度変化、アーリー効果などがあります。

ただ、が変わると、定電流ではなくなります。

そこで、が一定であることを利用します。

カレントミラー

カレントミラーは、基準電流をコピーする回路です。アナログ IC の中ではめちゃくちゃ出てきます。

VCC
 |
R
 |
+---- B C Q1
|      E
|      |
|     GND
|
+---- B   Q2   C ---- Iout
       E
       |
      GND

入力側のトランジスタ Q1 はベース-コレクタが接続されているので、ダイオード接続された BJT とみなせます。 Q1 と Q2 のベース-エミッタ電圧が同じなので、同じようなトランジスタなら同じようなコレクタ電流が流れます。

入力電流は抵抗で決まります。

Q2 の出力電流は、

となります。

実際にはベース電流があるので完全には一致しません。また、Q1 と Q2 の温度差や個体差、コレクタ-エミッタ間電圧の違いでもずれます。それでも、IC 内ではトランジスタを近くに同じ形で作れるので、かなり便利な電流コピー回路になります。

面積比を変えると、電流比も変えられます。たとえば Q2 を Q1 の 4 倍の面積で作れば、だいたい 4 倍の電流を流す、ということができます。ディスクリートでやるより IC 内で効く技です。

差動増幅回路

差動増幅回路は、2 つの入力の差を増幅する回路です。オペアンプの入力段にも出てきます。

        VCC
         |
        Rc        Rc
         |        |
Vin+ --- B Q1   Q2 B --- Vin-
          E \   / E
             \ /
              |
          tail current
              |
             GND

Q1 と Q2 のエミッタがつながっていて、そこに一定電流を流します。この電流をテール電流と呼びます。

Vin+ が Vin- より高くなると、Q1 側に多く電流が流れます。 Q1 のコレクタ電圧は下がり、Q2 のコレクタ電圧は上がります。

逆に Vin- が高くなると、Q2 側に電流が寄ります。つまり、2 つの入力の差を電流の偏りに変換しているわけです。

差動増幅回路の嬉しいところは、両方の入力に同じように乗ったノイズを消しやすいことです。これを同相信号除去、CMRR (Common Mode Rejection Ratio) と呼びます。

小さなセンサ信号を長い線で引っ張るとき、差動で送ると強いです。 RS-485 や CAN もこの発想です。

プッシュプル

スピーカーやモーターのような負荷には、電流を押し出すだけでなく、吸い込む動作も必要です。そこで、NPN と PNP を組み合わせたプッシュプル回路を使います。

        VCC
         |
        NPN
         |
OUT -----+
         |
        PNP
         |
        VEE

入力が正のときは NPN が電流を供給します。入力が負のときは PNP が電流を吸い込みます。

これにより、負荷を上下どちらにも駆動できます。オーディオアンプの出力段でよく出てくる形です。

のとき、NPN が ON に、PNP が OFF になるので、NPN のコレクタ接地回路とみなせる。

のとき、PNP が ON になり、NPN が OFF になるので、PNP のコレクタ接地回路とみなせる。

ただし、このままだと 0 V 付近でどちらのトランジスタも OFF になります。入力がからの間にあると、出力が動きません。

これがクロスオーバー歪みです。オーディオだと小さい信号がガリっと歪みます。

クロスオーバー歪み

クロスオーバー歪みを減らすには、NPN と PNP のベース間にあらかじめぐらいのバイアスをかけます。

Vin ---|>|---|>|--- bias

ダイオード 2 本や、ダイオード接続したトランジスタを使います。温度特性を合わせたいので、出力トランジスタと熱的に近いところに置くことがあります。

ダイオードにより、NPN 側には少し高い電圧、PNP 側には少し低い電圧を与えます。

よって、NPN が ON になる条件は、だいたいになります。 PNP が ON になる条件も、だいたいになります。

これで 0 V 付近の死んだ領域が減ります。完全にきれいにするには、アイドル電流、熱暴走、出力抵抗、負帰還などをまとめて考えます。ここから先はオーディオアンプ沼です。

デジタルスイッチとして使う

BJT はアナログ増幅だけでなく、デジタルスイッチとしても使えます。

VCC ---- 負荷 ---- C  NPN  E ---- GND
                    |
GPIO ---- Rb -------B

GPIO からベース電流を流すと、コレクタ-エミッタ間が ON します。このとき、トランジスタを線形増幅ではなく飽和領域で使います。

ベース抵抗は、必要なコレクタ電流から決めます。たとえば負荷電流が 100 mA、強制ベータを 10 として設計するなら、ベース電流は 10 mA 欲しいです。

5 V GPIO、なら、

実際には GPIO の最大電流も見る必要があります。 GPIO から 10 mA も取りたくないなら、MOS-FET を使う方が素直です。

小電流なら BJT、大電流スイッチなら MOS-FET、という住み分けが多いです。

まとめ

BJT は、ベース電流でコレクタ電流を制御する素子です。

エミッタ接地は電圧増幅に使う
コレクタ接地はバッファに使う
ベース接地は高周波や電流入力で出てくる
ダイオード接続でを利用できる
カレントミラーで電流をコピーできる
差動増幅回路はオペアンプの入力段になる
プッシュプル出力段ではクロスオーバー歪みに注意する
デジタルスイッチ用途ではベース電流をちゃんと見積もる

BJT は MOS-FET より古典的に見えますが、アナログ回路では今でもかなり重要です。オペアンプの中身を読むと、だいたい差動対とカレントミラーとプッシュプル出力段が出てきます。