電験三種 学習ノート

はじめに

小さな声で話しても、スピーカーから大きな音が出るのはなぜ

弱い信号を、形を保ったまま大きくするのが増幅

蛇口のように、小さな力で大きな流れを操る

半導体を3層に重ねたトランジスタは、電子回路の蛇口

バイポーラ・FETから増幅度とデシベルまで学ぶ

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「マイクに向かって小さな声で話しても、スピーカーから大きな音が出るのはなぜ……？」

前回の記事では、p形とn形の半導体を接合したダイオードが、電流を一方向にだけ通すことを学びました。ダイオードは、電流の向きを選ぶ部品でした。

ところで、身の回りには、小さな信号を大きくする場面がたくさんあります。マイクの電気信号はとても弱く、そのままではスピーカーを鳴らせません。ラジオのアンテナが受け取る電波の信号も、ごくわずかです。こうした弱い信号を、形を保ったまま大きくするはたらきを 増幅 と呼びます。

実は、増幅の正体は「小さな力で、大きな流れを操る」ことです。水道の蛇口は、指先の小さな力で、勢いよく流れる水の量を自由に変えられます。電子回路でも、小さな電流や電圧で、電源から流れる大きな電流を操ります。

そこで登場するのが、今回の主役「トランジスタ」です。半導体を3層に重ねた、電子回路の蛇口ともいえる部品です。

今回の記事では、バイポーラトランジスタと電界効果トランジスタのしくみ、エミッタ接地の増幅回路とバイアス、そして増幅の大きさを表す増幅度とデシベルについて解説します。

バイポーラトランジスタ：小さな電流で大きな電流を操る

n・p・nの順に重ねたnpn形と、p・n・pのpnp形

エミッタは送り出し、薄いベースが取っ手、コレクタが集める

ベースとエミッタは順方向、コレクタとベースは逆方向

電子のほとんどは薄いベースを素通りしてコレクタへ

エミッタの電流は、ベースとコレクタの電流の合計

コレクタ電流はベース電流の電流増幅率倍

hFEが150なら、20μAのベース電流でコレクタは3mA

電子と正孔の両方がはたらくので「バイポーラ」

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はじめに、バイポーラトランジスタについて紹介します。

バイポーラトランジスタ は、半導体を「n形・p形・n形」または「p形・n形・p形」の順に3層に重ねた部品です。前者を npn形、後者を pnp形 と呼びます。3つの層には、それぞれ電極が付いています。

【トランジスタの3つの電極】

• エミッタ（E）： キャリヤを送り出す側
• ベース（B）： 真ん中のとても薄い層。流れを操る取っ手
• コレクタ（C）： キャリヤを集める側

npn形で、しくみを見ていきましょう。ベースとエミッタの間には順方向の電圧を、コレクタとベースの間には逆方向の電圧をかけます。すると、エミッタからベースへ電子がどっと送り込まれます。

ここがポイントです。ベースの層はとても薄いので、送り込まれた電子のほとんどは、ベースを素通りしてコレクタまで走り抜けます。ベースから出ていくのは、ごく一部だけです。その結果、小さなベース電流 $I_B$ を流すだけで、大きなコレクタ電流 $I_C$ が流れます。

電流の出入りには、キルヒホッフの電流則がそのまま成り立ちます。

$$I_E = I_B + I_C$$

記号の意味は、$I_E$ がエミッタ電流［A］、$I_B$ がベース電流［A］、$I_C$ がコレクタ電流［A］です。言葉で言うと、「エミッタの電流は、ベースとコレクタの電流の合計」です。

ベース電流に対して、コレクタ電流が何倍になるかを表す値を 電流増幅率 と呼びます。

$$h_{FE} = \frac{I_C}{I_B}$$

$h_{FE}$ は、エミッタ接地（後で学びます）での直流の電流増幅率で、ふつうは数十〜数百です。

具体的に計算してみましょう。$h_{FE} = 150$ のトランジスタに、ベース電流 20μA を流します。コレクタ電流は $150 \times 20\ \mu\text{A} = 3$ mA です。エミッタ電流は 3 + 0.02 = 3.02mA で、コレクタ電流とほとんど同じです。

補足（ここは読み飛ばしてOK）： エミッタ電流に対するコレクタ電流の比 $\alpha = I_C / I_E$ も使われます。ベース接地の電流増幅率と呼ばれ、1よりわずかに小さい値です。先ほどの例では 3 ÷ 3.02 ≈ 0.993 です。

「バイポーラ」は「2つの極性」という意味です。このトランジスタの中では、電子と正孔の両方のキャリヤがはたらくので、この名前が付いています。

このように、バイポーラトランジスタは、薄いベースに流す小さな電流で、電流増幅率倍の大きなコレクタ電流を操る部品です。

以上が、バイポーラトランジスタについてです。

電界効果トランジスタ：電圧で電流を操る

FETは、ソースとドレーンの間のチャネルをゲートで操る

ホースをつまむように、ゲートの電圧で通り道を細くする

チャネルが太いとドレーン電流は大きく、細いと小さい

バイポーラは電流で操り、FETは電圧で操る

ゲートに電流はほとんど流れず、入力インピーダンスが大きい

FETには接合形とMOS形があり、nチャネルとpチャネルがある

gmが5mSなら、0.2Vの変化でドレーン電流は1mA変わる

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次に、電界効果トランジスタについて紹介します。

電界効果トランジスタ は、FET とも呼ばれます。電極は、ゲート（G）、ソース（S）、ドレーン（D）の3つです。ソースからドレーンへ、チャネル と呼ばれる電流の通り道があり、ゲートにかける電圧でその通り道の太さを変えます。

ゴムホースにたとえると分かりやすいです。ホースの途中を手でつまむと、水の流れが細くなります。つまむ力を変えれば、流れる水の量を自由に調節できます。FET では、ゲートの電圧がこの「つまむ手」にあたり、チャネルの太さを変えてドレーン電流 $I_D$ を調節します。

バイポーラトランジスタとの大きな違いは、次の2つです。

【バイポーラトランジスタとFETの違い】

• 操る量： バイポーラはベースの電流で操る（電流制御）。FET はゲートの電圧で操る（電圧制御）
• キャリヤ： バイポーラは電子と正孔の両方がはたらく。FET は電子か正孔の一方だけがはたらく（ユニポーラ）

FET のゲートには、電流がほとんど流れません。つまり、入力側から見た抵抗（入力インピーダンス）がとても大きいです。そのため、信号を送り出す側に負担をかけずに増幅できます。

FET には、pn接合でチャネルを狭める 接合形 と、薄い絶縁膜を通して電圧をかける MOS形 があります。チャネルがn形ならnチャネル、p形ならpチャネルと呼びます。MOS形は、集積回路やインバータなどのパワーエレクトロニクスに広く使われています。

ゲートの電圧の変化に対して、ドレーン電流がどれだけ変わるかを表す値を 相互コンダクタンス $g_m$ と呼びます。

$$g_m = \frac{\Delta I_D}{\Delta V_{GS}}$$

$\Delta$（デルタ）は「変化した量」を表す記号です。単位はコンダクタンスと同じ［S］です。例えば、$g_m = 5$ mS の FET で、ゲートとソースの間の電圧が 0.2V 変わると、ドレーン電流は $0.005 \times 0.2 = 0.001$ A、つまり 1mA 変わります。

試験のポイント：「FET は電圧制御で入力インピーダンスが高い」「バイポーラは電流制御」という対比は、正誤問題でよく問われます。

このように、電界効果トランジスタはゲートの電圧でチャネルの太さを変え、ゲートに電流をほとんど流さずにドレーン電流を操る部品です。

以上が、電界効果トランジスタについてです。

エミッタ接地とバイアス：増幅回路の土台

入力と出力で4端子が要るので、1つの電極を共通にする

接地方式は、エミッタ接地・ベース接地・コレクタ接地

エミッタ接地では、RCを通して流し、VCEを出力にする

エミッタ接地の出力は、入力と位相が逆になる

交流をそのまま入れると、マイナスの半分が切れてゆがむ

バイアスで動作点を決め、信号はその上下に振れる

バイアスは、蛇口をあらかじめ半分開けておくこと

入口と出口のコンデンサで、信号の交流だけを出し入れする

固定バイアスの例題では、IBが20μA、ICが2mAでVCEは6V

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続いて、エミッタ接地とバイアスについて紹介します。

トランジスタの電極は3つですが、増幅回路には入力と出力で合わせて4つの端子が要ります。そこで、1つの電極を入力と出力の共通にします。どの電極を共通にするかで、3つの 接地方式 があります。

【トランジスタの3つの接地方式】

• エミッタ接地： 入力はベース、出力はコレクタ。電流も電圧も大きく増幅できる。出力の位相は入力と逆（180°ずれる）
• ベース接地： 入力はエミッタ、出力はコレクタ。電流はほとんど増幅しない
• コレクタ接地： 入力はベース、出力はエミッタ。電圧はほとんど増幅しない（エミッタホロワとも呼ぶ）

いちばんよく使われるのが、エミッタ接地 の増幅回路です。電源 $V_{CC}$ からコレクタに抵抗 $R_C$ を通して電流を流し、コレクタとエミッタの間の電圧 $V_{CE}$ を出力として取り出します。

ここで1つ注意があります。トランジスタは、ベースとエミッタの間に約 0.6V 以上の順方向の電圧がかかっていないと、電流が流れません。ところが、マイクの信号のような交流は、プラスとマイナスに振れます。そのまま入れると、マイナスの半分は切り捨てられて、波形がゆがんでしまいます。

そこで、あらかじめ直流の電圧や電流を加えて、トランジスタを「ちょうど半分くらい流れている状態」にしておきます。これを バイアス と呼び、このときの電圧と電流の組を 動作点 と呼びます。信号は、動作点を中心に上下に振れることになります。

蛇口にたとえると、バイアスは「あらかじめ半分開けておくこと」です。閉め切った蛇口は、それ以上閉める方向には動かせません。半分開けておけば、開ける方向にも閉める方向にも、流れを変えられます。

なお、信号の入口と出口にはコンデンサを入れます。コンデンサは直流を通さず交流を通すので、バイアスの直流を保ったまま、信号の交流だけを出し入れできます。

例題：固定バイアス回路の動作点

エミッタ接地の増幅回路で、電源電圧 $V_{CC} = 12$ V から、抵抗 $R_B = 570$ kΩ を通してベース電流を流します。ベースとエミッタの間の電圧を 0.6V、電流増幅率を $h_{FE} = 100$、コレクタの抵抗を $R_C = 3$ kΩ とすると、コレクタとエミッタの間の電圧 $V_{CE}$ は何Vでしょうか？

【解き方】

1. ベース電流を求める： $I_B = (12 - 0.6) \div 570 \times 10^3 = 20$ μA
2. コレクタ電流を求める： $I_C = 100 \times 20\ \mu\text{A} = 2$ mA
3. $R_C$ の電圧降下を求める： $3 \times 10^3 \times 2 \times 10^{-3} = 6$ V
4. 電圧則より $V_{CE} = 12 - 6 = 6$ V

答えは 6V です。電源電圧のちょうど半分なので、出力は上下どちらにも同じくらい振れます。このように抵抗1本でベース電流を決める方法を、固定バイアス と呼びます。

このように、エミッタ接地の増幅回路では、バイアスで動作点を決めておき、その上に信号を乗せて増幅します。

以上が、エミッタ接地とバイアスについてです。

増幅度とデシベル：どれだけ大きくなったか

出力と入力の比が増幅度。電圧・電流・電力の3種類

電力増幅度は、電圧増幅度と電流増幅度の積

20mVの入力で出力が4V変われば、電圧増幅度は200倍

10倍で20dB、100倍で40dB、2倍は約6dB

電圧と電流は20log、電力は10logで利得を求める

電圧増幅度200倍は、約46dB

20dBと40dBの2段をつなぐと、全体は60dBで1000倍

2mWが200mWになれば100倍。電力の利得は20dB

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最後に、増幅度とデシベルについて紹介します。

入力に対して出力が何倍になったかを表す値を 増幅度 と呼びます。何の比をとるかで、3種類あります。

$$A_v = \frac{v_o}{v_i}, \qquad A_i = \frac{i_o}{i_i}, \qquad A_p = \frac{p_o}{p_i} = A_v A_i$$

記号の意味は、$v_i$・$v_o$ が入力と出力の電圧［V］、$i_i$・$i_o$ が入力と出力の電流［A］、$p_i$・$p_o$ が入力と出力の電力［W］です。順に、電圧増幅度、電流増幅度、電力増幅度と呼びます。電力は電圧と電流の積なので、電力増幅度は電圧増幅度と電流増幅度の積です。

具体的に計算してみましょう。エミッタ接地の増幅回路で、入力の電圧が 20mV 変化したら、ベース電流が 10μA 変化したとします。電流増幅率が 100 ならコレクタ電流は 1mA 変化し、$R_C = 4$ kΩ では出力の電圧が 4 × 1 = 4V 変化します。電圧増幅度は 4 ÷ 0.02 = 200 倍です。

デシベル

増幅度は、何万倍にもなることがあり、何段もつなぐと掛け算が大変です。そこで、常用対数を使った デシベル［dB］で表します。デシベルで表した増幅度を、利得とも呼びます。

$$G_v = 20 \log_{10} A_v, \qquad G_p = 10 \log_{10} A_p$$

記号の意味は、$G_v$ が電圧の利得［dB］、$G_p$ が電力の利得［dB］です。電圧と電流には 20、電力には 10 を掛けます。電力は電圧の2乗に比例するので、係数が2倍違うのです。

【よく使うデシベルの値（電圧）】

• 10 倍 → 20dB、100 倍 → 40dB、1000 倍 → 60dB
• 2 倍 → 約 6dB（$\log_{10} 2 \approx 0.301$）
• 1 倍 → 0dB

先ほどの 200 倍なら、$20 \log_{10} 200 = 20 \times (2 + 0.301) \approx 46$ dB です。

デシベルの便利な点は、掛け算が足し算になることです。増幅回路を2段つなぐと、全体の増幅度は各段の増幅度の積ですが、デシベルなら各段の利得の和になります。例えば、20dB（10倍）の回路と 40dB（100倍）の回路をつなぐと、全体は 60dB（1000倍）です。

例題：電力の利得

ある増幅回路に 2mW の電力を入力したら、出力の電力が 200mW になりました。電力の利得は何dBでしょうか？

【解き方】

1. 電力増幅度を求める： $A_p = 200 \div 2 = 100$ 倍
2. 電力の利得を求める： $G_p = 10 \log_{10} 100 = 10 \times 2 = 20$ dB

答えは 20dB です。電力なので、係数は 10 です。うっかり 20 を掛けると 40dB になってしまいます。

試験のポイント：電圧・電流の利得は $20\log_{10}$、電力の利得は $10\log_{10}$ です。係数の取り違えがいちばん多いミスです。

このように、増幅度は出力と入力の比で、デシベルで表すと、何段もつないだときの計算が足し算で済みます。

以上が、増幅度とデシベルについてです。

今回のまとめ

ベース電流でコレクタ電流を操る。IE = IB + IC

FETはゲートの電圧で操り、入力インピーダンスが高い

エミッタ接地は、動作点を中心に入力と逆向きに大きく振れる

電圧は20log、電力は10log。多段の利得は足し算

キーワードはバイポーラ・電流増幅率・バイアス・デシベルなど

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それでは、今回の内容を振り返ります。

今回は、トランジスタと増幅回路について紹介しました。トランジスタは、小さな電流や電圧で大きな電流を操る、電子回路の蛇口です。バイアスで蛇口を半分開けておき、そこに信号を乗せることで、波形を保ったまま大きくできます。

今回のポイントを振り返りましょう。

振り返り

• バイポーラトランジスタは、$I_E = I_B + I_C$、$I_C = h_{FE} I_B$ の関係で、ベース電流でコレクタ電流を操る。
• 電界効果トランジスタは、ゲートの電圧でドレーン電流を操る。入力インピーダンスが高い。
• エミッタ接地は電流も電圧も増幅でき、出力の位相は入力と逆になる。バイアスで動作点を決める。
• 電圧の利得は $20\log_{10} A_v$、電力の利得は $10\log_{10} A_p$。多段の利得は足し算になる。

キーワードのおさらい

• バイポーラトランジスタ: 半導体を3層に重ね、ベース電流でコレクタ電流を操る部品。npn形とpnp形がある
• 電流増幅率: ベース電流に対するコレクタ電流の比 $h_{FE} = I_C / I_B$
• 電界効果トランジスタ: ゲートの電圧でチャネルの太さを変え、ドレーン電流を操る部品（FET）
• エミッタ接地: エミッタを入力と出力の共通にした接地方式。最もよく使われる
• バイアス: 動作点を決めるため、あらかじめ加えておく直流の電圧や電流
• 増幅度: 入力に対する出力の比。電圧・電流・電力の3種類がある
• デシベル: 増幅度を常用対数で表した単位［dB］。電圧は $20\log_{10}$、電力は $10\log_{10}$

以上が、今回のまとめです。

さて、トランジスタの増幅度は、$h_{FE}$ のばらつきや温度で変わってしまいます。もっと正確に、抵抗の比だけで増幅度を決められる部品はないのでしょうか？

次回は、理想的な増幅器として扱える「演算増幅器」について紹介します。

それでは、次の記事へ進んでいきましょう。