電子回路10【電験3種 理論】コレクタ接地増幅回路(エミッタホロワ)の特徴の誤りを判定する!令和5年度上期 A問題13 完全解説

電験3種 理論科目 電子理論(電子回路) 令和5年度上期 A問題13 エミッタホロワの利得は1未満?特徴の誤りを見抜く

今回は令和5年度上期 理論科目 A問題13を解説します。コレクタ接地増幅回路(エミッタホロワ)の特徴に関する5つの記述のうち、誤っているものを選ぶ問題です。

コレクタ接地は電圧増幅度が約1、入力インピーダンスが大きく出力インピーダンスが小さいのが特徴で、緩衝増幅器(バッファ)に使われます。強い負帰還がかかるためひずみは小さい点がポイントです。

目次

令和5年度上期 理論科目 A問題13:問題文と選択肢

まずは、実際の試験問題を確認してみましょう。

電験3種 理論科目 電子回路 令和5年度上期 A問題13 問題文
令和5年度上期 理論科目 A問題13 問題文

出典:一般財団法人 電気技術者試験センター「令和5年度上期 第三種電気主任技術者試験」理論科目 A問題13

電験3種 理論科目 【電子理論(電子回路)】 令和5年度上期 A問題13

 図のコレクタ接地増幅回路に関する記述として、誤っているものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。

(1)電圧増幅度は約1である。
(2)入力インピーダンスが大きい。
(3)出力インピーダンスが小さい。
(4)緩衝増幅器として使用されることがある。
(5)増幅回路内部で発生するひずみが大きい。

図 コレクタ接地増幅回路(エミッタホロワ)(問題図)
図 コレクタ接地増幅回路(エミッタホロワ)(問題図)

ポイント解説:エミッタフォロワは高入力・低出力のバッファ

GPT Image 2で作成したエミッタフォロワの回路構成と高入力低出力の特徴の解説
電圧増幅度は約1でも、高入力・低出力なので緩衝増幅器として使われます。

コレクタ接地増幅回路は、ベースへ入力しエミッタから出力するエミッタフォロワです。電圧増幅度は約1ですが、入力インピーダンスが大きく出力インピーダンスが小さいため、前段と負荷をつなぐ緩衝増幅器として働きます。出力変化がベース・エミッタ間電圧の変化を打ち消す100%負帰還により、ひずみは小さくなります。したがって「ひずみが大きい」とする選択肢(5)が誤りです。

核心解説:100%負帰還がひずみを小さくする

GPT Image 2で作成したエミッタフォロワの100%負帰還とひずみ低減の解説
出力変化がVBEの変化を打ち消す負帰還により、ひずみは小さくなります。
選択肢内容判定根拠
(1)電圧増幅度は約1出力が入力に追従するので1倍
(2)入力インピーダンスが大きい前段から電流をほとんど取らない
(3)出力インピーダンスが小さい後段へ大きな電流を供給できる
(4)緩衝増幅器として使うインピーダンス変換が目的
(5)ひずみが大きい×100 %負帰還なのでひずみは【小さい】(★誤り)

(2)(3)がエミッタフォロワの存在意義です。入力側は高インピーダンス、出力側は低インピーダンス——ちょうどインピーダンスを変換してくれます。

(4)の「緩衝増幅器(バッファ)」は、この変換機能を使った用途です。高インピーダンスの信号源と、低インピーダンスの負荷をつなぐ——間に挟むだけで信号の劣化を防げます

答え誤っているのは「増幅回路内部で発生するひずみが大きい」 → 選択肢(5)

問題の解説:5つの特徴を照合し誤りの選択肢(5)を判定

GPT Image 2で作成した令和5年度上期理論A問題13の選択肢判定表
誤っている記述は、ひずみが大きいとする選択肢(5)です。

電圧増幅度が1しかない——これを「性能が悪い」と誤解すると、「ひずみも大きいのだろう」と思ってしまいます

実際は正反対です。電圧を増幅しない代わりに、ひずみが小さく特性が安定——「電圧増幅を捨てて、他のすべてを手に入れた」回路です。

性質エミッタフォロワ理由
電圧増幅度約1(低い)出力が入力に追従するため
ひずみ小さい帰還率 \(\beta=1\) の負帰還
帯域幅広い負帰還の効果
安定性高い負帰還の効果

⚠️ よくある間違い
負帰還は「増幅度を犠牲にして他をすべて改善する」技術です。エミッタフォロワは帰還率100 %——増幅度は1まで落ちますが、ひずみ・帯域・安定性は最高になります。

☝️ ひっかけの作り方:「電流」は大きく増幅しています。電圧増幅度が1でも、電流増幅度は \(h_{fe}+1\) 倍——だから電力は増幅されており、立派な「増幅回路」です。

深掘り①:3つの接地方式を対比する

トランジスタ増幅回路には3つの接地方式があります。それぞれ得意分野が違うので、対比して覚えましょう。

エミッタ接地ベース接地コレクタ接地
別名エミッタフォロワ
電圧増幅度約1(増幅しない)
電流増幅度約1
入力インピーダンス
出力インピーダンス
位相逆相同相同相
主な用途一般的な増幅高周波増幅バッファ(緩衝)

エミッタ接地が最も一般的です。電圧も電流も大きく増幅できる——「増幅回路」といえばまずこれです。ただし出力が逆相になります。

コレクタ接地(エミッタフォロワ)は電圧を増幅しませんが、入力インピーダンスが高く出力インピーダンスが低い——回路と回路をつなぐ緩衝役です。

ベース接地は高周波向きです。入力と出力の間の容量結合が小さく、高い周波数まで動作します——アンテナ直下の増幅などに使われます

深掘り②:なぜインピーダンス変換が必要なのか

高インピーダンスの信号源に低インピーダンスの負荷を直結すると、信号が大きく減衰します。その間に緩衝増幅器を入れるのが解決策です。

$$\text{直結:}v_{\text{負荷}}=v_s\times\frac{R_L}{R_s+R_L}$$
❶ 分圧される
\(R_s\gg R_L\) なら大幅に減衰
$$R_s=100\ \mathrm{k\Omega},\ R_L=1\ \mathrm{k\Omega}\ \Rightarrow\ v_{\text{負荷}}\fallingdotseq0.01v_s$$
❷ 数値例
1 %しか届かない
$$\text{バッファ経由:}v_{\text{負荷}}\fallingdotseq v_s$$
❸ 緩衝増幅器を入れると
ほぼ全部届く

エミッタフォロワの入力インピーダンスは非常に高いので、信号源からほとんど電流を取りません——だから信号源の電圧がそのまま入ってきます

出力インピーダンスは非常に低いので、負荷に大きな電流を供給できます——結果として、信号を劣化させずに次の段へ渡せます

深掘り③:エミッタフォロワの入出力インピーダンス

なぜ入力が高く、出力が低くなるのか——式で確認しておきましょう。

エミッタフォロワのインピーダンス
$$Z_{in}\fallingdotseq(1+h_{fe})R_E,\qquad Z_{out}\fallingdotseq\frac{R_s+h_{ie}}{1+h_{fe}}$$

どちらにも \((1+h_{fe})\) が現れます入力では掛かり、出力では割られる——だから高低が逆になります。

\(h_{fe}=100\)、\(R_E=1\ \mathrm{k\Omega}\) のとき
入力インピーダンス\((1+h_{fe})R_E\)約101 kΩ(高い)
出力インピーダンス\((R_s+h_{ie})/(1+h_{fe})\)数十 Ω(低い)

\(h_{fe}\) が100なら、インピーダンスが約100倍・約1/100に変換されます。4桁近い変換——これがエミッタフォロワの威力です。

オペアンプのボルテージフォロワも同じ発想です。電圧増幅度1、入力インピーダンス極大、出力インピーダンス極小——用途もまったく同じです。

深掘り④:接地方式の名前の由来

「エミッタ接地」「コレクタ接地」という名前は、どの端子が入力と出力の共通端子になっているかを表しています。

方式入力端子出力端子共通(接地)端子
エミッタ接地ベースコレクタエミッタ
ベース接地エミッタコレクタベース
コレクタ接地ベースエミッタコレクタ

「接地」といっても直流的に接地されているとは限りません交流的に共通(コンデンサで接地)であればよく、信号の基準点になっている端子を指します。

FETでも同じ分類があります。ソース接地・ゲート接地・ドレイン接地——それぞれエミッタ接地・ベース接地・コレクタ接地に対応します。

ドレイン接地は「ソースフォロワ」と呼ばれ、エミッタフォロワと同じくバッファとして使われます

⏱️ 本番での進め方
❶ エミッタフォロワ=電圧増幅度1・入力Z大・出力Z小——バッファ。
❷ 帰還率100 %の負帰還——だからひずみは【小さい】。
❸ 3つの接地方式を表で対比——どの性質を聞かれても答えられる。
❹ 「増幅しない」=「性能が悪い」ではない——電流は大きく増幅する。

💡 覚え方
「フォロワ=追従する=出力が入力にそっくり」——そっくりということは、ひずみがないということです。名前が性能を保証しています

出題履歴:接地方式の対比は頻出

3つの接地方式の特徴を問う出題は、電子回路分野の定番です。対比表を一度作っておけば、どの方式のどの性質を聞かれても対応できます。

この分野はほぼ毎年どこかで出題されます。手を動かして解ける状態にしておけば、本番で確実に得点できます。

あわせて解いておきたい記事:【理論】平成28年度A問題13(エミッタ接地増幅回路)【理論】令和元年度A問題13(負帰還増幅回路)

まとめ

(5)誤り負帰還でひずみは小さい
(1)電圧増幅度≈1(正)
(2)(3)入力Z大・出力Z小(正)
(4)緩衝増幅器に利用(正)
答え(5)

▼あわせて解きたい関連問題
・エミッタホロワの入力インピーダンス(電子回路4):【理論】令和7年度上期 B問題18

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