コレクタ帰還バイアス(自己バイアス)回路

電流帰還バイアス回路は、エミッタ抵抗と並列にキャパシタを接続して交流的にショートする必要がありますが、無線機等の高周波回路では、キャパシタ特性が理想的でないため、思いどおりの特性にならないことがあります。その場合は、図1のようなコレクタ帰還バイアス回路(自己バイアス回路とも呼ばれています)を使用します。

※ 多くの電子回路の教科書では「自己バイアス回路」と呼んでいますが、アナログICの内部回路で利用される「セルフバイアス回路」(正帰還を利用して電源電圧に依存しないバイアス電圧・電流をつくる回路)とは異なります。このサイトでは、混同するのを避けるため、「自己バイアス回路」ではなく「コレクタ帰還バイアス回路」と呼ぶことにします。

コレクタ帰還バイアス回路のブロック図は図1(b)のようになります。 電流帰還バイアス回路のブロック図と同じ形をしています。

トランジスタの電流増幅率βのばらつきによる電流ICCの感度$S_{\beta}^{I_{CC}}$を求めてみます。まず図1(b)よりICCとβの関係式を求めます。

\begin{align} I_{CC}=\frac{1+\beta}{R_B}(V_{CC}-R_CI_{CC}-V_{BE}) \end{align}

この式をβを独立変数、ICCをβの関数と考えてβで微分します(VBEは定数と考えます)。

\begin{align} \frac{\partial I_{CC}}{\partial\beta}=\frac{1}{R_B}(V_{CC}-R_CI_{CC}-V_{BE})-R_C\frac{\partial I_{CC}}{\partial\beta}\frac{1+\beta}{R_B} \end{align}

右辺第1項は(VCC−RC ICC)−VBE = VC−VBEより、IBとなります。よって、

\begin{align} \frac{\partial I_C}{\partial\beta}=\frac{I_B}{1+\frac{R_C}{R_B}(1+\beta)} \end{align}

ICCの感度は、ICC=IB+IC=(1+β)IBを利用して

\begin{align} S_{\beta}^{I_{CC}}=\frac{\beta}{I_{CC}}\frac{\partial I_{CC}}{\partial\beta} =\frac{\beta}{1+\beta}\frac{1}{1+\frac{R_C}{R_B}(1+\beta)} \approx \frac{1}{1+\frac{R_C}{R_B}(1+\beta)} \end{align}

となります。上式の分母のRC/RB×(1+β)はループゲインです(図1(b)参照)。

上式は電流帰還バイアス回路の場合と同じ形をしていますが、実際に設計してみるとループゲインをそれほど大きくできないことが分かります。

\begin{align} \text{ループゲイン}=\frac{R_C}{R_B}(1+\beta)\approx \frac{R_C\beta}{R_B} =\frac{R_C\beta I_B}{R_B I_B} = \frac{R_CI_C}{R_BI_B}\approx \frac{R_CI_{CC}}{R_BI_B} =\frac{R_C\text{の両端の電圧}}{R_B\text{の両端の電圧}} \end{align}

たとえば、電源電圧VCC=5Vでコレクタ電圧VC=2.5Vとなるように設計すると、ループゲイン=(5−2.5)/(2.5−0.6)=1.3、感度$S_{\beta}^{I_{CC}}$=1/(1+1.3)=0.43 とイマイチな結果となります。