バイポーラトランジスタの周波数特性とは?

バイポーラトランジスタの周波数特性とは何か？分かりやすい説明をして欲しい。また第一級陸上特殊無線技士の試験問題を数問作成し、解答と解説を求める。

### 1. バイポーラトランジスタの周波数特性とは？

**バイポーラトランジスタの周波数特性**とは、トランジスタが異なる周波数の信号に対してどのように動作するか、特に増幅能力がどのように変化するかを示す特性です。トランジスタには、特定の周波数範囲内でのみ効率よく信号を増幅できるという限界があり、これを理解することが、無線通信や高周波回路設計において非常に重要です。

#### 主要なパラメータ

1. **( f_T )（トランジット周波数）**：

- トランジスタの**高周波限界**を示す重要な指標です。

- ( f_T ) は「**カットオフ周波数**」とも呼ばれ、この周波数でトランジスタの電流増幅率（hFE）は1に低下します。つまり、増幅がほとんどできなくなる周波数を意味します。一般的に、トランジスタの性能が有効な周波数範囲はこの ( f_T ) 以下の範囲です。

2. **ゲイン帯域幅積**：

- 増幅回路の利得（ゲイン）とその回路が動作可能な最大周波数（帯域幅）の積です。周波数が上がるとゲインが低下するため、利得と周波数のトレードオフ関係が存在します。

#### 周波数特性の動作

低周波では、トランジスタは十分な利得を持って信号を増幅できますが、周波数が高くなるにつれて、トランジスタの内部構造（接合容量や配線インダクタンスなど）の影響で、利得が低下します。これが高周波における**周波数特性の劣化**です。

バイポーラトランジスタは、特に高周波回路や無線通信での使用時に、この周波数特性を考慮することが重要であり、**周波数特性を最適化したトランジスタ**（高周波トランジスタ）が設計されています。

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### 2. 試験問題と解答

#### 問題1：

バイポーラトランジスタのトランジット周波数 ( f_T ) とは何か？

1. トランジスタが最大電圧を出力できる周波数

2. トランジスタの電流利得が1になる周波数

3. トランジスタの入力インピーダンスが無限大になる周波数

4. トランジスタの出力電流がゼロになる周波数

**解答**：2

**解説**：トランジスタのトランジット周波数 ( f_T ) は、電流増幅率（hFE）が1に低下する周波数です。この周波数以上では、トランジスタは増幅能力をほとんど持たなくなります。

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#### 問題2：

トランジスタの周波数特性を考慮した高周波回路設計で重要なパラメータはどれか？

1. 電力消費量

2. トランジット周波数 ( f_T )

3. コレクタ損失

4. エミッタ電圧

**解答**：2

**解説**：高周波回路設計では、トランジスタのトランジット周波数 ( f_T ) が非常に重要です。これにより、トランジスタが高周波信号をどの程度効率よく増幅できるかが決まります。

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#### 問題3：

バイポーラトランジスタの周波数特性において、周波数が高くなると次のどの現象が起こるか？

1. 電流増幅率が増加する

2. 電流増幅率が減少する

3. 電流増幅率は一定になる

4. 出力インピーダンスが無限大になる

**解答**：2

**解説**：バイポーラトランジスタでは、周波数が高くなるにつれて電流増幅率が低下します。これは、トランジスタの内部の容量やインダクタンスの影響が強くなるためです。

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#### 問題4：

バイポーラトランジスタのゲイン帯域幅積とは何か？

1. トランジスタの電流利得と入力インピーダンスの積

2. 増幅回路の利得とその回路が有効に動作する帯域幅の積

3. 出力インピーダンスとコレクタ電流の積

4. ベース電流とエミッタ電流の積

**解答**：2

**解説**：ゲイン帯域幅積とは、増幅回路の利得とその回路が動作できる最大周波数（帯域幅）の積です。高周波では利得が低下するため、この特性が設計において重要です。

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### まとめ

バイポーラトランジスタの**周波数特性**は、トランジスタが高周波でどのように動作するかを示す重要な指標であり、無線技術や高周波設計で極めて重要な知識です。試験問題でも、トランジスタの周波数限界や高周波特性に関する問題が頻出するため、これらの基本的な概念をしっかり理解することが大切です。

コレクタ接地回路

コレクタ接地回路(エミッタフォロワ)の『特徴』や『原理』について

第一級陸上特殊無線技術士試験に於いて出題されるバイポーラトランジスタのコレクタ接地回路について知りたい。その用途・利用目的・原理・長所短所について解説と入力波が振幅Aの正弦波で初期位相がゼロのものの各地点での変化の状況と最後に過去に出題された試験問題を数問と、その解答と解説を求める。

### 1. コレクタ接地回路の概要

**コレクタ接地回路**（common-collector circuit）は、バイポーラトランジスタ（BJT）の3つの基本的な回路構成の1つで、出力がエミッタ端子から取り出される回路です。この回路は、「**エミッタフォロワ**（emitter follower）」とも呼ばれ、主に**電流増幅**や**インピーダンス変換**に利用されます。

#### 原理

- **入力信号**はベース端子に加えられます。

- **出力信号**はエミッタ端子から取り出されます。

- コレクタ端子はグランドに接地され、固定されます。

- 入力信号がベース端子に加わると、ベース・エミッタ間の電圧が変動し、その結果、エミッタ電流が変動します。このエミッタ電流が、エミッタ端子の出力電圧に反映されます。

コレクタ接地回路では、**出力信号の電圧は入力信号と同位相**であり、位相反転は起こりません。また、出力電圧は入力電圧よりもわずかに小さくなります（ベース・エミッタ間の電圧降下 \(V_{BE}\) によるもの）。

### 2. 用途・利用目的

コレクタ接地回路は、以下のような用途に広く使用されます。

- **インピーダンス変換**：入力インピーダンスが高く、出力インピーダンスが低いため、インピーダンス整合が必要な場面でよく使われます。特に信号源と負荷のインピーダンスを一致させる際に便利です。

- **電流増幅**：電流利得が大きく、出力電流が入力電流の数十倍に増幅されます。

- **バッファ回路**：出力インピーダンスが低いため、後段回路に負荷を与えないバッファ回路としての用途があります。

### 3. 長所と短所

#### 長所

- **高入力インピーダンス、低出力インピーダンス**：入力側が高いインピーダンスであり、出力側は低いため、インピーダンス変換やバッファ回路として優れています。

- **位相反転がない**：出力信号と入力信号は同位相です。

- **電流増幅**：大きな電流利得を得られ、電流を効率的に増幅します。

- **安定した出力**：信号の電圧が入力信号に追従するため、信号波形をほぼそのまま出力する特性があります。

#### 短所

- **電圧増幅がほぼない**：コレクタ接地回路は電圧増幅には適しておらず、電圧増幅率は1以下です。

- **ベース・エミッタ間の電圧降下**：出力電圧は常に入力電圧よりも約0.7V（シリコントランジスタの場合）低くなります。

### 4. 正弦波入力時の動作

入力波が振幅 \( A \) の正弦波で、初期位相がゼロの信号 \( V_{\text{in}}(t) = A \sin(\omega t) \) がベース端子に与えられた場合、コレクタ接地回路での動作は次のようになります。

1. **入力信号** \( V_{\text{in}}(t) \) がベース端子に加わると、ベース・エミッタ間の電圧が変化し、エミッタ電流が変動します。この変動は、出力信号（エミッタ端子の電圧）に現れます。

2. コレクタ接地回路では、出力信号 \( V_{\text{out}}(t) \) は入力信号と**同位相**で変動しますが、出力電圧は入力電圧より約0.7V（ベース・エミッタ間電圧 \(V_{BE}\) ）低い値になります。

- 入力が正のとき、出力も正ですが、わずかに電圧降下があります。

- 入力が負のとき、出力も同様に負の方向に追従します。

3. 具体的には、入力信号が \( V_{\text{in}}(t) = A \sin(\omega t) \) であれば、出力信号は \( V_{\text{out}}(t) = A \sin(\omega t) - V_{BE} \) となります。

### 5. 過去の試験問題と解答

#### 問題1：

コレクタ接地回路における入力信号と出力信号の位相関係について正しい記述はどれか。

1. 同位相

2. 180度反転

3. 90度進む

4. 90度遅れる

**解答**：1.

**解説**：コレクタ接地回路では、入力信号と出力信号は同位相で動作します。これは、他の回路構成（例えばエミッタ接地回路）とは異なる特性です。

#### 問題2：

コレクタ接地回路の利点として正しいものはどれか。

1. 高い電圧増幅率

2. 高い入力インピーダンスと低い出力インピーダンス

3. 180度の位相反転がある

4. 出力インピーダンスが非常に高い

**解答**：2.

**解説**：コレクタ接地回路は、特に高い入力インピーダンスと低い出力インピーダンスが特長で、インピーダンス変換やバッファ回路として広く利用されます。

#### 問題3：

コレクタ接地回路の用途として適切なものはどれか。

1. 高周波増幅回路

2. インピーダンス変換

3. 電圧増幅

4. フィードバック制御

**解答**：2.

**解説**：コレクタ接地回路は、インピーダンス変換が主な用途であり、電圧増幅には向いていません。

### まとめ

コレクタ接地回路は、電圧増幅がほとんどないものの、**インピーダンス変換**や**バッファ回路**として多用される回路です。また、位相反転がないため、信号の形状をそのまま保ちつつ電流増幅ができる点が重要です。この回路の理解は、第一級陸上特殊無線技術士試験におけるトランジスタ関連の問題に対応する上で不可欠です。

エミッタ接地回路

エミッタ接地回路の『特徴』や『原理』について

第一級陸上特殊無線技術士試験に於いて出題されるバイポーラトランジスタのエミッタ接地回路について知りたい。その用途・利用目的・原理・長所短所について解説と入力波が振幅Aの正弦波で初期位相がゼロのものの各地点での変化の状況と最後に過去に出題された試験問題を数問と、その解答と解説を求める。

### 1. エミッタ接地回路の概要

**エミッタ接地回路**（common-emitter circuit）は、バイポーラトランジスタ（BJT）の基本的な増幅回路の一つで、エミッタ端子がグランドに接地され、ベース端子に入力信号を加え、コレクタ端子から出力信号を取り出す構成です。この回路は、低周波および高周波の両方の増幅回路に広く使用され、信号の電圧増幅や電流増幅に優れています。

#### 原理

- **入力信号**はベース端子に加わります。

- **出力信号**はコレクタ端子から取り出されます。

- エミッタ端子は接地されており、信号の増幅過程で固定されています。

- ベースに信号を加えると、ベース・エミッタ間の電流（ベース電流）が流れ、その結果として、より大きなコレクタ電流が流れます。

- このコレクタ電流の変動がコレクタ端子の電圧変動となり、出力信号として取り出されます。

エミッタ接地回路では、出力信号の**位相が入力信号に対して反転**します。これは重要な特性です。

### 2. 用途・利用目的

エミッタ接地回路は、以下のような場面でよく使用されます。

- **電圧増幅回路**：信号の電圧増幅が必要な場合に広く使われる回路構成です。

- **音声や低周波信号の増幅**：オーディオ増幅器やアナログ信号処理で多く使用されます。

- **デジタル回路のスイッチング**：トランジスタのオン・オフを利用して、スイッチング動作にも使用されます。

### 3. 長所と短所

#### 長所

- **高い電圧増幅率**：エミッタ接地回路は、非常に高い電圧増幅率を持ち、信号の振幅を大きくするのに適しています。

- **広く利用される回路**：オーディオ機器から無線機器まで、非常に多くの場面で使用されており、汎用性が高い。

- **電流増幅効果**：電流利得も高く、電圧と電流の両方を効率よく増幅できます。

#### 短所

- **位相反転**：入力信号と出力信号の位相が180度反転します。これが回路設計上の制約になることがあります。

- **出力インピーダンスが高い**：出力インピーダンスが比較的高いため、次段とのインピーダンスマッチングが問題になる場合があります。

### 4. 正弦波入力時の動作

入力波が振幅 \( A \) の正弦波で、初期位相がゼロの信号 \( V_{\text{in}}(t) = A \sin(\omega t) \) がベース端子に与えられた場合、エミッタ接地回路での動作は以下のようになります。

1. **入力信号** \( V_{\text{in}}(t) \) がベースに加わると、ベース・エミッタ間電圧の変動により、ベース電流が変動します。この変動に応じてエミッタ電流が変わり、それに比例してコレクタ電流も変動します。

2. **出力信号**は、コレクタ端子から取り出されます。コレクタ電流の変動がコレクタの電圧に反映されます。エミッタ接地回路では、出力信号は入力信号に対して**180度反転**しています。

3. 具体的には、入力が正のとき、出力は負に変化し、逆に入力が負のとき、出力は正になります。このようにして、位相反転が生じます。

例えば、入力波が \( V_{\text{in}}(t) = A \sin(\omega t) \) の場合、出力波は \( V_{\text{out}}(t) = -K A \sin(\omega t) \) の形となり、ここで \( K \) は増幅率です。

### 5. 過去の試験問題と解答

#### 問題1：

エミッタ接地回路における入力信号と出力信号の位相関係について、正しい記述はどれか。

1. 同位相

2. 反転する

3. 90度進む

4. 90度遅れる

**解答**：2.

**解説**：エミッタ接地回路では、入力信号と出力信号の位相が反転します。これは、この回路の特徴的な動作です。

#### 問題2：

エミッタ接地回路の利点として正しいものはどれか。

1. 入力インピーダンスが高い

2. 電圧増幅率が高い

3. 出力インピーダンスが低い

4. 位相反転がない

**解答**：2.

**解説**：エミッタ接地回路は、電圧増幅率が高いことが最大の利点の一つです。これにより、弱い信号を大きく増幅することができます。

#### 問題3：

エミッタ接地回路が使用される用途として適切なものはどれか。

1. 高周波増幅回路

2. 低周波増幅回路

3. 電流源回路

4. 高電圧スイッチング回路

**解答**：2.

**解説**：エミッタ接地回路は、特にオーディオや低周波信号の増幅に広く使用されます。

### まとめ

エミッタ接地回路は、電圧増幅に優れ、信号の位相反転を伴う重要な回路です。この回路の理解は、第一級陸上特殊無線技術士試験のトランジスタに関する問題を解く上で重要です。試験対策としては、回路の基本動作や特性をしっかりと理解することが大切です。