【電験三種：理論】令和４年度上期　問１８

（ａ）の解答の流れ
(1)図１の\(V_{BE}\)を求める
(2)図２の\(V_{BE}\)を求める
(3)図3の\(V_B\)を求める
(4)図3の\(V_E\)を求めて\(V_{BE}\)を求める

(1)図１の\(V_{BE}\)を求める

ベース電圧\(V_B\)は、電源電圧\(V_{CC}\)から、抵抗\(R\)を通るベース電流\(I_B\)の電圧降下\(I_BR\)した電圧なので、次式で表せます。
\(V_B=V_{CC}-I_BR\)

エミッタ電圧\(V_E\)は、電源の負端子と直接接続されているので\(V_E=0\)です。そのため、ベース電圧\(V_B\)とベースエミッタ間電圧\(V_{BE}\)は等しくなります。
\(V_{BE}=V_B-V_E=V_B\)

以上より、図１のベース・エミッタ間の電圧 \(V_{BE}\) は、次のように示せます。
\(V_{BE}=V_{CC}-I_BR\)　…②
したがって、図１は②式です。

(2)図２の\(V_{BE}\)を求める

ベース電圧\(V_B\)は、電源電圧\(V_{CC}\)から、２つの抵抗分電圧降下した電圧です。
・コレクタ抵抗\(R_C\)には、コレクタ電流\(I_C\)とベース電流\(I_B\)の両方の電流が通りますので、その電圧降下は、
\((I_C+I_B)R_C=I_ER_C\)
・抵抗\(R\)を通るベース電流\(I_B\)の電圧降下\(I_BR\)
したがって、\(V_B\)は次のようになります。
\(V_B=V_{CC}-I_ER_C-I_BR\)

エミッタ電圧は\(V_E=0\)のため、ベース電圧\(V_B\)とベースエミッタ間電圧\(V_{BE}\)は等しくなります。
\(V_{BE}=V_B-V_E=V_B\)

以上より、図２のベース・エミッタ間の電圧 \(V_{BE}\) は、次のように示せます。
\(V_{BE}=V_{CC}-I_ER_C-I_BR\)　　…③
したがって、図２は③式です。

(3)図3の\(V_{BE}\)を求める

エミッタ電圧\(V_E\)は、エミッタ抵抗\(R_E\)を通るエミッタ電流\(I_E\)による電圧\(I_ER_E\)です。
\(V_E=I_ER_E\)

ベースエミッタ間電圧\(V_{BE}\)は、ベース電圧\(V_B\)とエミッタ電圧\(V_E\)の電位差なので、
\(V_{BE}=V_B-V_E=V_B-I_ER_E\)
したがって、図３は①式です。

以上より、（ａ）問題の答えは（３）①式は図３、②式は図１、③式は図２　が答えです。

（ｂ）の解答

ａ 温度上昇により\(h_{FE}\) が増加すると\(I_C\) が増加し、バイアス安定度が悪いバイアス回路の図は \(\fbox{　(ア)　}\) である。

結論から書くと、図１が答えです。
図１の回路は、固定バイアスと呼ばれるバイアス方式です。
図１～３のバイアス方式の中で、最もバイアス安定度が悪いです。

図１の回路は、②式（\(V_{BE}=V_{CC}-I_BR\)）から、直流バイアス電圧\(V_{BE}\)は一定です。

ベース電流\(I_B\)と、コレクタ電流\(I_C\)の関係式は、
\(I_C=h_{FE}I_B\)
であるため、温度変化によって\(h_{FE}\)が増加すると、コレクタ電流\(I_C\)が増加します。

直流バイアス\(V_{BE}\)によるコレクタ電流\(I_C\)が変化すると、出力電圧のバイアス電圧\(V_{out}\)の式は、\(V_{out}=V_{CC}-I_CR_C\) なので、\(V_{out}\)が変動することにつながります。
出力のバイアス電圧\(V_{out}\)が変動する＝バイアス安定度が悪い　ということなので、図１の回路が答えであることがわかります。

バイアス安定度が悪いと、出力信号を大きくしようとしたときに歪む原因となります。

ｂ \(h_{FE}\) の変化により\(I_C\) が増加しようとすると、\(V_B\) はほぼ一定であるから\(V_{BE}\)が減少するので、 \(I_C\) や\(I_E\) の増加を妨げるように働く。\(I_C\) の変化の割合が比較的低く、バイアス安定度が良いものの、電力損失が大きいバイアス回路の図は \(\fbox{　(イ)　}\) である。

結論から書くと、図３が答えです。
図３の回路は、電流帰還バイアスと呼ばれるバイアス方式です。
電流帰還バイアスは、自己バイアス方式の一種です。
図１～３のバイアス方式の中で、最もバイアス安定度が良いです。

図３の回路の抵抗\(R_E\)は、デジェネレーション抵抗と呼ばれる抵抗です。この抵抗の動作は、次の流れで動作し、トランジスタのバイアス電圧\(V_{BE}\)を調整するため安定します。
①温度変化等により\(h_{FE}\)が増加する。
②コレクタ電流\(I_C\)が増加する。
③エミッタ電流（\(I_E=I_C+I_B\)）も増加する。
④デジェネレーション抵抗\(R_E\)の電位差\(V_E=I_ER_E\)が増加する。
⑤エミッタ電圧\(V_E\)増加により、
　ベースエミッタ間電圧（\(V_{BE}=V_B-V_E\)）が減少する。
⑥\(V_{BE}\)減少すると、ベース電流電流\(I_B\)が減少する。
⑦\(I_B\)が減少すると、コレクタ電流\(I_C\)が減少する。

温度変化等によって\(h_{FE}\)が減少した場合も、逆デジェネレーション抵抗は逆の動作するので、バイアス安定度が良くなります。

また、トランジスタの持つ非線形性を改善し、波形の歪みを小さくするメリットもあります。
その一方で、コレクタ電流\(I_C\)の変化を抑える方向に働くため、利得（ゲイン）が減少する大きな短所もあります。

ｃ \(h_{FE}\) の変化により\(I_C\) が増加しようとすると， \(R_C\) の電圧降下も増加することでコレクタ・エミッタ間の電圧\(V_{CE}\) が低下する。これにより\(R\) の電圧が減少して\(I_B\)が減少するので、\(I_C\) の増加が抑えられるバイアス回路の図は \(\fbox{　(ウ)　}\)である。

結論から書くと、図２が答えです。
図３の回路は、自己バイアスと呼ばれるバイアス方式です。

図２の回路は、③式\(V_{BE}=V_{CC}-I_B・R-I_E・R_C\)から、\(h_{FE}\)の変動に強い回路です。この回路は次の流れで動作し、\(V_{BE}\)を調整する機能があるので、\(h_{FE}\)の変動に強い回路です。
①温度変化等により\(h_{FE}\)が増加する。
②コレクタ電流\(I_C\)が増加する。
③\(I_CR_C\)の電圧降下が増加するので、\(V_{CE}\)が減少する。
④\(V_{CE}\)が減少すると\(V_{BE}\)が減少する。
⑤\(V_{BE}\)が減少すると\(I_B\)が減少する。
⑥\(I_B\)が減少すると、コレクタ電流\(I_C\)が減少する。

温度変化等によって\(h_{FE}\)が減少した場合も、回路は逆の動作するので、バイアス安定度が良くなります。

以上より、（ｂ）問題の答えは（４）（ア）図１、（イ）図３、（ウ）図２　が答えです。

イラストがとても多く、視覚的に理解しやすいので、初学者に、お勧めなテキストです。