エミッタ接地回路の静特性測定(ディジタル・テスターによる)

1. 実験の目的

   バイポーラ・トランジスタのエミッタ接地回路の静特性を測定することで
   バイポーラ・トランジスタの動作を確認するとともに、小信号等価回路の
   パラメータについて考察します。
   

2. 実験課題

   下記の項目について静特性の測定を行い、測定結果から等価回路の
   パラメータ(h_FE、h_ie)を求めます。
   1. I_B-I_C特性
      
   2. V_BE-I_B特性
      
   3. V_CE-I_C特性
      
   
   

3. 実験回路

   1. I_B-I_C特性、V_BE-I_B特性
      
      
      
   2. V_CE-I_C特性
      
      
   
   
   

4. トランジスタの静特性

   エミッタ接地回路の場合、入力特性はVbe-Ib特性、出力特性はVce-Ic特性、
   伝達特性はIb-Ic特性で表されます。
   
   
   1. I_B-I_C特性
      伝達特性であるI_B-I_C特性は、トランジスタの基本関係式より
      I_C = h_FE * I_B
      であることから、ほぼ原点を通る直線となります。
      
      
      
   2. V_BE-I_B特性
      入力特性であるV_BE-I_B特性は、PN接合の順方向特性となることから
      I_B = Ico * {exp((q/kT)*V_BE) − 1)}
      となり、ほぼ指数関数曲線となります。
      
      
      
   3. V_CE-I_C特性
      出力特性であるV_CE-I_C特性は、Icが基本関係式より
      I_C = h_FE * I_B
      で決まるためV_CEには依然せず、I_Bが一定ならば、Icもほぼ一定となります。
      グラフ上は、I_Bをパラメータとしたほぼ水平なグラフとなります。
      しかし、実際にはI_Cが増えるほど、やや右肩上がりのグラフとなります。
      
      
   
   

5. トランジスタの小信号簡易化等価回路

   トランジスタに小信号増幅をさせる場合、静特性のグラフのままでは
   回路の解析が難しいので、まずバイアスをかけて動作点を決め、
   次に、小信号動作であることを前提としてその動作点においては
   線形動作をすると近似して解析します。
   線形動作をするトランジスタは等価回路で置き換えます。
   最も簡単な等価回路は下図です。
   
   
   等価回路の中のパラメータである、hie、hfeは静特性のグラフから
   以下のように求めます。
   
   (1)hfe
   IcとI_Bは原点を通る直線となることから、交流に対する増幅度hfeは
   ほぼ直流に対する増幅度h_FEと同じになります。
   icがibのみで決まるため、等価回路では制御電源で表現され、電流の値は
   hfe*ibとなります。
   
   
   (2)hie
   入力特性であるV_BE-I_B特性はほぼ指数関数であることから
   小信号に対する抵抗値(hie)はV_BE-I_B特性曲線上の動作点(バイアス点)
   における接線で近似します。また、当然、hieは動作点で変化します。
   
   
   計算上は下記の概算式が使えます。
   hie = 1/(40 * IE) × β
   ∴ hie ≒ 1/(40 * I_B)
   

6. 実験方法

   1. I_B-I_C特性、V_BE-I_B特性
      I_B-I_C特性とV_BE-I_B特性は 測定手順がほとんど同じであることから、
      同時に測定しました。
      I_B-V_BE特性は ダイオードの特性と同様にわずかなV_BEの変化で、
      I_Bが大きく変化するので、V_BEの測定にはディジタル・テスター
      または、直流電位差計を用います。 なお、測定回路はAV法を用います。
      
      測定手順は、5kΩのVRでベース電流I_Bを0から増加させながら、
      そのときのベース・エミッタ間電圧V_BEと コレクタ電流Icを読み取って行きます。
      
      
      
   2. V_CE-I_C特性
      まず5kΩのVRでベース電流I_Bを設定してから1kΩのVRでコレクタ電圧を
      0から増加させながらコレクタ・エミッタ間電圧V_CEとコレクタ電流Icを
      読み取っていきます。この際、V_CEが小さい間はV_CEを変化させると
      わずかにベース電流I_Bも変化するので、I_Bを再調整します。
      
      
   
   

7. 実験機材

   1. トランジスタ:2SC1815(Yランク)
   2. アナログ直流電流計(50μA)
   3. アナログ・テスター
   4. ディジタル・テスター
   5. 可変抵抗器(5kΩB)
   6. 可変抵抗器(1kΩ)
   7. 固定抵抗器100kΩ
   8. 乾電池：1.5V×4
   
   

8. 実験結果

   1. I_B-I_C特性、V_BE-I_B特性　測定データ
      
      
      
   2. I_B-I_C特性グラフ
      
      
      
   3. I_B-V_BE特性グラフ
      
      
      
   4. I_C-V_CE特性　測定データ
      
      
      
   5. I_C-V_CE特性グラフ
      
      
      
   
   

9. 測定結果・考察

   1. I_B-I_C特性とhfe
      I_BとI_Cはほぼ比例関係になることが確認出来ました。
      サンプルのトランジスタ:2SC1815において、その比、すなわちh_FEは
      およそ7[mA]/40[μA] = 175になりました。データシートによるとYランクの
      2SC1815のh_FEは120〜240ですので、仕様の範囲内であることが判りました。
      
      
   2. I_B-V_BE特性
      今回の測定範囲では、判りずらいですが、ベース電流が2μAを超えたあたりから
      急激にV_BEが600mV位に増加したことから、ほぼ指数関数になると
      考えられます。
      
      
   3. I_C-V_CE特性
      V_CEがおよそ2[V]を超えると、Icはほぼ一定となりI_Bのみで
      決まることが判りました。
      
      
   4. hie
      測定データから次の方法で計算しました。
      I_B = 4[μA]のときのhieは、その前後であるI_B = 2[μA]と6[μA]の
      測定データで傾きを計算。
      
      例
      
      
      計算結果は下記となりました
      
      
      概算式:hie ≒ 1/(40 * I_B)から計算したhieとともにグラフにすると下図となりました。
      
      
      ふたつのグラフはたいへんよく一致することが確認出来ました。
      
   
   

10. 今後の課題

    
    

11. 参考文献

    1. なし。
    
    

12. 関連項目

    1. AV法
    2. ダイオードの特性