テーマ9　半導体素子・アナログ電子回路のマルチシム

【目次】

• 目的
• 概説
• トランジスタの名称と形状
• 実験１　（トランジスタ）
• 実験１−１　出力特性の測定
• 実験１−２　入力特性の測定
• 課題１
• 実験２　（電子回路）
• 実験２−１　小信号増幅回路の特性の測定
• 課題２

• 実験�Tテーマ一覧へ

• レポート表紙
• レポート提出先（manaba） 　締め切り：1週間後14時30分まで

【目的】

半導体素子（バイポーラトランジスタの特性）、アナログ電子回路についてNI MultiSIMを利用してシミュレーションを行い、その理解を深める。

【概説】

トランジスタ内部の動作は単純で、図のように ベース−エミッタ間に流れる電流を常にコントロールして、 その電流の数十倍から数百倍の電流がコレクタ−エミッタ間に 流れるように電流源を制御する。 つまり、ベース電流でコレクタ−エミッタ間に流れる電流を コントロールする素子がトランジスタといえる。 この動作を外部からながめると、ベースに入力した電流が大きくなって コレクタ−エミッタ間に現れるので、入力信号を増幅したように見える。

トランジスタには、PNP 型とNPN 型の2種類がある。3つに分かれたそれぞれの部分は、ベース、コレ クタ、エミッタと呼ばれる。エミッタ−ベース間は順方向、ベース−コレクタ間は逆方向になるように電 圧を加える。 ベースに流れる電流 I_Bに比べて、コレクタに流れ込む電流 I_Cは大きな電流となる。この大 きな電流 I_Cは、小さな電流 I_Bに従い変化する。トランジスタが増幅作用を持つというのはこのことである。

【トランジスタの名称と形状】

トランジスタは、材料（ゲルマニウム，シリコン）や構造（ＮＰＮ，ＰＮＰ）などにより分類される。また、使用方法とし てエミッタ接地、ベース接地、コレクタ接地がある。トランジスタには型名が付いているが、その付け方は、次のような形式で決まっている。

（型名の例） 2SC 2120 Y

第１項：

第２項： 最大４桁の番号で、日本電子機械工業会へ登録した順の連続番号。

第３項： 改良や変更ごとにＡ，Ｂ，Ｃ，…の順に付ける。

（トランジスタの形状）

トランジスタには、エミッタ (E)、コレクタ (C)、ベース (B) の 3 つの足があり、2SC2120 の足の配置は図の通りである。

【実験１　（トランジスタ）】

トランジスタの接続法には、ベースを入出力側の共通端子とするベース接地と、エミッタを共通端子とするエミッタ接地、コレクタを共通端子とするコレクタ接地の３通りの接続法が考えられるが、前者２つの接続法がよく用いられ る。 実験では、トランジスタ 2SC2120 を用いてエミッタ接地回路における出力特性、および入力特性を測定する。

図1：エミッタ設置の回路図

　実験１−１    出力特性（I_c−V_ce 特性）の測定

1. まず、R_B= 100 kΩの抵抗を用いて、図1のような回路を組む。
2. V_CCの電圧は、0〜6.0 [V]まで0.5 [V]刻みで変更する。
3. 図1の端子a,bには、DMM の電流計がつながるように接続し、電流I_B を表 1 に記入する。このとき、電圧V_CC = 0[V]とする。 （図2）
4. 次に、端子c,dにDMMの電流計がつながるように接続し、電流I_C を測定する。このとき、V_CCは、0〜6.0 [V]まで表１のように変化させて測定する。（図2）
5. 抵抗R_Bを51[kΩ]、33[kΩ]、22[kΩ]と変えてみて、同様に測定する。

表1：出力特性の測定 図 2: 出力特性測定のための回路   　実験１−２    入力特性Ib−Vbe 特性の測定 まず、図3 のような回路を組む。 VBB = 0.4 [V]のとき、電圧VCE を測定し、表２に記入する。 VBBを0.4〜0.64まで表２のように変化させ、そのときのVBE の大きさを測定する。 VBBを0.4〜0.64まで表２のように変化させ、そのときのVRB の大きさを測定する。 IB = VRB ∕RB の式を用いて電流IBを計算し、表２に記入する。 表2：入力特性の測定 図 3: 入力特性測定のための回路 【課題１】      MultiSIM上に作成した実験回路をハードコピーして貼り付けること。 表１，表２を完成させること。 表１の出力特性のデータを利用して、図 4 のような出力特性（IC−VCE特性）のグラ フを作成せよ。 ただし、ここでは、VCCの電圧を VCEと見なすものとする。 表２の入力特性のデータを利用して、図 5 のような入力特性（IB−VBE特性）のグラ フを作成せよ。 電流伝達特性は、コレクタ電圧を一定に保ち、その状態におけるトランジスタのベース電流 IBとコレクタ電流 ICとの関係をいう。 出力特性の VCE = 5[V] に注目し、 5[V] に おける縦軸上で曲線と交わる点の IBとそれに対応する ICを読み取り、 IBとICとの関係を表す電流伝達特性のグラフを作成せよ。ただし、 IBを横軸に、ICを縦軸に取ること。 電流伝達特性のグラフより、コレクタ電流 ICは、ベース電流 IBの何倍に増幅されているか。 hパラメータの hFE について調べよ。 図 4:  出力特性 図 5:  入力特性 【実験２　（電子回路）】 図6に示す小信号増幅回路（エミッタ接地増幅回路）をMultiSIM上に作成しなさい。 　　　　　　　　　　図 6：小信号増幅回路 左にある黄色の端子が入力端子である。入力端子には関数発生器（Function Generator）を接続する。 関数発生器は、＋端子をコンデンサへ、−端子をアースへ接続し、真ん中の共通端子もアース側へ接続する。 右にある黄色の端子が出力端子である。出力端子には、オシロスコープを接続する。 左の入力端子から信号波形を入力すると、右の出力端子から増幅された波形が取り出される。 トランジスタ増幅回路は、トランジスタだけでなく他にいくつかのパーツを組み合わせて構成される。 ここでは、以下のような抵抗（）とコンデンサ（、）といった素子を組み合わせてある。 記号 値 用途 Tr 2SC1815 小信号増幅用トランジスタ Vcc 15[V] 電源電圧 R1 100[kΩ] バイアス用抵抗 R2 22[kΩ] バイアス用抵抗 RC 5[kΩ] コレクタ負荷抵抗 RE 1[kΩ] エミッタ抵抗 C1 10[μF] 入力用カップリング電解コンデンサ C2 10[μF] 出力用カップリング電解コンデンサ C3 22[μF] 電源安定用バイパス電解コンデンサ C4 0.01[μF] 電源安定用バイパスセラミックコンデンサ   　実験２−１    小信号増幅回路の特性の測定 図6の増幅回路をMultiSIM上で作成し、関数発生器から振幅100[mVp]の正弦波を発生させ，周波数を1Hz〜10MHz 　(1, 10, 100, 1k, 10k, 100k, 1M, 10M) まで段階的に変化させて、出力振幅を記録する。 【課題２】 MultiSIM上に作成した実験回路をハードコピーして貼り付けること。 入力周波数を変化させたときの出力電圧を表にしなさい。 片対数グラフを用いて、対数軸に周波数を、もう片方の軸に電圧増幅率をプロットし、周波数特性のグラフを作成せよ。 さらにそのグラフを読み、低域遮断周波数f_Lと高域遮断周波数f_Hを求めよ。ただし、遮断周波数とは、 電圧増幅率が 1/sqrt(2)倍に落ちる周波数を言う。 測定した電圧増幅率AVを電圧利得GV（dB：デシベル）で表すといくらになるか。（式も記入すること） TOP 実験�Tテーマ一覧へ