院試でよく使う電子回路の基本事項のまとめ

はじめに

本記事は、院試に向けた電子回路の基本事項のまとめ記事になります。過去に、電磁気学、電気回路のまとめ記事を紹介しました。予想以上の反響を頂き、電子回路についても作成することにしました。

電子回路では、バイポーラトランジスタ、MOSFETの小信号等価回路が頻出です。また、各接地方式それぞれに対する特性についても説明問題で問われることがあります。他、オペアンプ回路に関する問題も問われることが多いです。

本記事では、上記の項目を中心に基本事項を取り上げるとともに、動作原理についても取り上げていきます。

電子を放出するエミッタ、電子を収集するコレクタ、両者の間の障壁としてベースが存在しています。ベースに順方向電圧をかけると、障壁が下がり、エミッタからコレクタへ電子が流れ、導通状態となります。

半導体デバイスが試験科目に無く、電子回路のみ出題する大学は上記の事項を簡潔に問うことがあります。志望大学に応じて覚えておきましょう。

エミッタ電流$I_E$、ベース電流$I_B$、コレクタ電流$I_{C}$には下記の関係があります。

\begin{aligned}I_E=I_B+I_C\end{aligned}

使わないことは無いので、必ず覚えましょう。

一般的に、外部電源に対しバイポーラトランジスタを接続、出力側の電圧を利得として出力する構成です。先述した通り、バイポーラトランジスタにはエミッタ、ベース、コレクタの3つの端子があり、それぞれの接地方式が存在します。下記で、特性を見ていきましょう。

筆者の経験上、試験ではエミッタ接地が最も出題されます。エミッタ接地の場合、電流、電圧利得ともに大きくなります。必ず押さえておきましょう。ただし、高周波になると利得が低下する課題も存在します。ミラー効果と言いますので、知らない方はこちらの記事がオススメです。

一方で、ベース接地、コレクタ接地の場合です。それぞれ、電圧利得、電流利得が大きくなります。これは、小信号等価回路の計算をすることで導くことができます。下記で紹介しています。

与えられた線形素子と元々の非線形素子に対し端子(エミッタ、ベース、コレクタ)が合うように置き換えれば良いです。置き換える線形素子は、問題で必ず与えられていますので、与えられた図に沿って置き換えましょう。

例として、エミッタ接地回路の置き換え図を示します。

置き換えた後の図では、線形素子の計算で入力電圧、出力電圧の比を取ることで、電圧利得を求めることができます。詳しくは各記事で示しています。

ベース接地電流増幅率$\alpha$、エミッタ接地増幅率$\beta$には下記の関係があります。

\begin{cases}\alpha=\dfrac{I_{C}}{I_{E}} \\ \beta=\dfrac{I_{C}}{I_{B}}=\dfrac{I_{C}}{I_{E}-I_{C}}=\dfrac{\alpha}{1-\alpha}\end{cases}

$\alpha,\beta$の定義として、コレクタ電流に対する各々の電流の比であることに起因しています。詳しい導出は、こちらの記事で説明しています。

問題によっては、外乱に対する安定性を問われることがあります。安定性を説明する回路として、電流帰還バイアス回路、電圧帰還バイアス回路の2種類あります。

両者ともに、外乱パターンとしてコレクタ電流$I_c$が大きくなった時のフィードバック(FB)要因を考えます。

電界効果トランジスタと言います。昨今の半導体素子は、こちらで構成されていることが多く、様々な大学の院試でよく出題されています。バイポーラトランジスタはあまり出題しない大学はありますが、MOSFETに関してはほぼ全ての大学で出題されます。

電圧をかけるゲート(G)、電子を放出するソース(S)、電子を収集するドレイン(D)の3つの端子からなっています。

動作原理：
ゲート-ドレイン間に電圧$V_{GS}$をかけると電子の反転層(チャネル)が発生します。この状態でドレイン-ソース間に電圧をかけると、ソースからドレインへ電子が流れ、MOSFETとして駆動します。

バンド図としては下記のように表されます。
(空乏、反転がよく出てきます。半導体デバイスの院試問題で出題されることが多いですが、参考程度に知っておくと良いです。)

一般的に使われるのはnMOSです。ゲートに電圧をかけないと動作しない(論理値=0 FALSE)を示すMOSFETになります。一方で、ゲートに電圧をかけずとも1を示す(電圧をかけると0になる)逆の特性を示すMOSFETも居ます。これをpMOSと言い、nMOSとの関係が逆になっています。

論理回路(AND,OR)としての作図問題も大学によっては出てきます。nMOS、pMOSどちらを使用するのか注意しながら解いていきましょう。

バイポーラトランジスタと同じく、非線形素子部に対し与えられたシンボルを置き換えれば良いです。
よく、下記のように与えられます。

実際に回路特性を導いている記事は下記になります。

バイポーラトランジスタの接地方式として、エミッタ接地、ベース接地、コレクタ接地の３種類ありました。MOSFETとしても、ソース接地、ゲート接地、ドレイン接地の3種類あります。

それぞれ、下記のような特徴があります。

バイポーラトランジスタは電流制御素子であるのに対し、MOSFETは電圧制御素子になります。この違いから両者の特性として下記のような優劣があります。