トランジスタ回路 どうやって設計するの？（１）
オリジナルのエフェクタ―を設計したい、オペアンプを使ってきたけどトランジスタではどうしたらよいか分からない、そんな方は多いのではないでしょうか。また、電子工学を学んだけど数式ばかりでどうも理解できなかったという方もいるかと思います。本技術情報ではトランジスタ回路の設計方法を体感的に理解してもらいます。するとこれまで分からなかった電子工学の教科書も知らず知らずのうちに理解できるようになっていると思います。何回かに分けて進みますが、まずは基本回路から説明しましょう。
ところで、トランジスタに付いて調べたことのある人のほとんどはｈＦＥという言葉を知っていると思います。電流増幅率と言って、コレクタ電流/ベース電流を表したものですね。例えばｈＦＥが１００のトランジスタのベースに１μＡの電流を流すとコレクタには１００μＡの電流が、ベースに２μＡの電流を流すとコレクタには２００μＡの電流が流れます。アンプでは、もとの信号をトランジスタのベースに流し込み、コレクタから取り出して１００倍のアンプを作るんだと思っていませんか。私は知らない頃、そう思っていました。そう思いますよねぇ。間違いではないのですがｈＦＥのことを考えて回路を設計する人はいません。ですからｈｆｅのことは一旦忘れてください。
※ 実際には考えないのではなく、ｈＦＥの十分に大きなトランジスタを使う前提で、考える必要がないという事です。
突然ですが、図１の様に中に電池がひとつ入った三端子（イ、ロ、ハ）のブラックボックスを考えます。外から見た時、このブラックボックスは次の様に動きます。
（１） イ端子は入力として使いますが、電流は流れません。他のふたつの端子にいくら電流が流れてもイ端子には流れません。
（２） ロ端子は常にイ端子より０．７Ｖ低い電圧が出ます。
（３） ハ端子の電圧は他のふたつの端子電圧とは無関係に動きます。そしてハ端子にはロ端子と同じ電流が流れます。
ここからはクイズです。
このブラックボックスを使って、なんとか二倍のアンプを作れないでしょうか。（１）、（２）、（３）はそのルールです。使うのはこのブラックボックスとふたつの抵抗、それに電源用の電池だけです。そして使う知識はΩの法則だけです。
私はふたつの抵抗Ｒ１とＲ２、そして電池を図２の様に繋いでみました。
この時の動作を想像してみます。入力の電圧が振れると、入力よりも０．７Ｖ低い値でロ端子の電圧が振れます。ロ端子の電圧が振れると抵抗Ｒ１に流れる電流が変化します。Ｒ１に流れる電流はそのままＲ２に流れる電流になります。Ｒ２に流れる電流が変化すするとＲ２の両端の電圧が変化します。
次が重要です。Ｒ１に流れる電流の変化とＲ２に流れる電流の変化は同じですが、Ｒ２の抵抗値をＲ１の抵抗値の２倍にしておくと、Ｒ２の両端の電圧変化はＲ１の両端の電圧変化の二倍になります。Ｒ２の両端の電圧を出力から取り出すと二倍のアンプになっていませんか？どうです？たくらみ通り動くか、詳しく見ていきましょう。
それでは具体的な値を入れて確認してみましょう。図３ａでまず入力の電圧を３．０Ｖにしました。ロ端子の電圧ＶＬは、入力端子より０．７Ｖ低いので２．３Ｖになります。ロ端子に流れる電流は２．３Ｖ／１ＫΩ＝２．３ｍＡとなります。ハ端子に流れる電流は、ロ端子に流れる電流とおなじですから２．３ｍＡになります。最後にハ端子の電圧です。２ＫΩの両端の電圧が４．６Ｖですから、電源１０Ｖ－４．６Ｖで５．４Ｖになります。この電圧が出力電圧になります。入力が３．５Ｖと２．５Ｖの時も同様の手順で図３ｂと図３ｃに計算してみました。
次に計算した結果をグラフにしてみます。最初に入力が３Ｖ、１秒後に３．５Ｖ、２秒後に３Ｖ、３秒後に２．５Ｖ、そして４秒後に３Ｖとなったとします。図３ａ，３ｂ，３ｃの結果を時系列に並べてみます。
グラフから二倍のアンプが出来ているのが分かると思います。また、入力（イ端子）と出力（ハ端子）が逆相になっている事や、１秒の時点で入力と出力の間の電圧が近づいている事も分かると思います。そして、ここまで来るとこのアンプのゲインは Ｒ２/Ｒ１＝２ で決まっていることも分かると思います。（ｈｆｅを使った計算は出てきませんでしたね）
ここでブラックボックスに付いてお話しします。もうお分かりかと思いますが、ブラックボックスはトランジスタそのものです。ブラックボックスの各端子とトランジスタの各端子は図４a～図４ｃの様になっていますので確認してください。トランジスタの動きがイメージ出来ましたでしょうか。
図５とグラフ２にブラックボックスをトランジスタに置き換えたものを載せておきます。
注意点です。図６とグラフ３を見てください。グラフの太い線は入力を大きくしたところです。あまり大きくすると出力はエミッタとぶつかります。出力はエミッタより下がりませんので出力が歪んでしまいます。
課題：ゲインは大きくしたいし出力にも大きな波形を出したい。どうすれば良いのでしょう？無信号時の入力電圧、Ｒ１とＲ２の抵抗値、電源電圧を自分で決めてみましょう。
参考：大きな出力を出すには、無信号時の出力電圧を電源電圧の半分くらいにするのが良いでしょう。その場合取れるゲインはＲ２/Ｒ１というよりＶＲ１/ＶＲ２で制限されることに気が付きます。そうなると無信号時の入力電圧を出来るだけ下げることが有利になります。とは言え、０．７Ｖまで下げてしまうと入力信号が下がった時に歪んでしまいます。これを避けるために電源電圧を上げるのは有効な手段になります。
如何だったでしょうか。なんとなく回路設計が見えてきましたでしょうか。
次の技術情報「トランジスタ回路 どうやって設計するの？（２）」では、これまでのことをもう少し掘り下げてお話しする予定です。
