バイアス回路について

質問

アンプなどにおいてバイアス回路を入れるのはどのような理由によるものなのでしょうか。
たとえばソース接地増幅段を考えた場合、入力（ゲート）に直流電圧をかければ動作点が決まるのでそれだけでいいような気がします。なぜわざわざ抵抗などを入れるのでしょうか。

回答No.11

soramist · ベストアンサー

質問再構築に当たって参考になれば・・・

１．電子回路の中には直流と信号（AF,RF)が混在する。
２．ある場合には直流だけを、ある場合には交流(AF or RF)だけを、またある場合には重畳させて、通過（増幅）させる必要がある。
３．これらの操作を行うにはどういう回路上の工夫が必要か？
　→R,C,L使い分けのテクニック
などが考え方の基本。

お礼

返事がないようなので質問を締め切ります。回答ありがとうございました。

補足

遅れて申し訳ありません。少しの間考えていました。
私が理解できていなかっただけです。No.7で

＞３つの機器が”並列に”入っていることを想定すればよいのです。

とありましたのでそれまでは直流電源と小信号電源を負荷に対して直列ではなく並列につないだ場合のことを考えていて、私が聞きたかったのはなぜ直列につないだだけでは問題となるのか聞きたかったのです。なのでNo.9の補足であらためて聞いてしまいました。しかもNo.5では直列につないでも特に問題がないようなことが書かれていたのでよけいわからなくなってしまいました。
よく読んでみたらNo.5で問題となるのは電圧源開放電圧の1/2しか負荷にかけることができないが、バイアス回路を用いればもっと大きい信号を負荷にかけることができるということですね。

以上のような理解でよろしいでしょうか。

回答No.10

soramist

>・・・このような方法ではなにか問題がある場合があるのか、です。

なんか・・・今まで縷々説明してきたことは、いったい何だったのだろうか、という気がしています。(-_-;)
このことは、ANo.2から始まり、ANo.9に至るまで繰り返しご説明していることと違いますか？

小信号源から外側を見たとき、どういうものが負荷になっているでしょう？
先ずFETのゲートがあります。
これは高インピーダンスですから問題ありません。
もう一つバイアス電源があります。
これは直流電圧は5Vですが、内部抵抗が極めて低いです。
これを振るには更に低いインピーダンスの信号源が必要です。

電源より低いインピーダンスの信号源が用意できますか？
できないことはないでしょうが、それはもはや”小信号源”というような代物ではありません。
”大電力信号源”です。

そこで、ANo.8で言った”直流を切るもの＝インダクタ”を電源回路に入れれば、小信号源の負荷を軽くすることができます。
（信号周波数を十分カットするくらいのインピーダンスに選ぶ）

このようにしてかけたバイアスは直流インピーダンスが低いので、多少負荷条件が変わっても”安定なバイアス”がかけられる、という利点があります。
しかし、信号周波数との住み分けが難しいです。
ですから高周波ではよく使われますが、低周波では境界条件の設定が難しいのであまり使われません。
（抵抗分割する方がはるかに簡単です）

どうも同じ話の繰り返しで、これより前に進めません。
も一度質問の要点を整理して再質問されてはいかがでしょうか？
もちろん、わたしの方が質問者さんの質問の意味を取り違えてピンボケ回答をしている可能性もありますので、もしそうでしたらご容赦ください。

回答No.9

soramist

もしこれが（概念図でなく）回路図であるとすれば・・・

FETに+5Vのバイアス電圧が必要と仮定し、電源電圧が12Vであるとすれば、”小信号電源”に-7Vを用意すれば、たしかに+5VのバイアスがFETに供給できますね。

しかし、”小信号電源”は単に直流電圧（バイアス）を設定するためのものではなく、”信号（交流）”も供給するものではなかったですか？
であれば、小信号電源の両端からは直流と信号（交流）が重畳した出力が出るような（ちょっと特殊な）回路を考えなければなりません。
このような回路は不可能ではありませんが、結構ややこしいです。

なぜそんなややこしいバイアス回路が必要なのでしょうか？
抵抗で分圧する方がはるかに簡単ではないですか？

勿論、そのような条件が必要性になる場合もありますので、そういう場合は上記の方法で解決します。
質問者さんがお考えになっている回路は、そのような必要性があるものなのでしょうか？

わたしも頭の中が、だいぶこんがらかってきました。
疑問点を一度整理し、質問内容を再構築されては如何でしょうか？

補足

何度も説明不足の質問をしてしまい申し訳ありません。そしてそんな質問に何度も回答してくださりありがとうございます。この質問を最後にします。

考えていたのは直流電圧源を二つ用いることです。小信号源はあくまで小信号をかけます。バイアス電圧をを5Vとするならゲートにつながる直流電圧源を5Vとし別の電圧源を用いてvddを定めます。
お聞きしたかったのはこのようにバイアス点を定めるほうがバイアス回路を用いるより簡単ではないのか、このような方法ではなにか問題がある場合があるのか、です。

回答No.8

soramist

１．>電力が吸い取られるとありますが小信号源の電圧がすべて小信号源自信の出力インピーダンスにかかるためですよね。

その通り（自信→自身）

２．>では、この直列に接続する方式なら抵抗などは必要なく簡単に動作点が決定できるような気がするのですが…この方式ではなにか問題があるのでしょうか

ウーン・・・
直流と交流（信号）の動作がこんがらかっていませんか？
ANo.5の図は、交流（信号）のかかり方の説明図です。
実際にはコンデンサで直流を切っているのですが、同図では省略されています。
もしもコンデンサで直流を切らずに、このように接続すれば電源電圧もONされるでしょう？
（注　この図は、質問者さんの書込みを基に、わたしが”推測”で書いたものです。
質問者さんが見られた図が、何を説明するものか・・・実際にどういう回路図であったのかは、わたしにはわかりません。(^_^;)）

３．>Xというのはコイルのことですよね。

その通り

補足

説明不足で申し訳ありません。
教科書ではソース接地やゲート接地などの動作の説明がありますが、その中でも以下のようなソース接地回路を考えていました。
　　　　　　　　　　　＿＿＿vdd
　　　　　　　　　　　　｜
　　　　　　　　　　　－
　　　　－－－｜｜ 　 FET
　　　｜　　　　　　　－
　小信号電源　　　　|
　　　｜　　　　　　　｜
　　直流電源　　　　｜
　　　｜　　　　　　　｜
　　　　－－－－－－

まだなにかおかしなことを言っているようでしたらご指摘お願いします。

回答No.7

soramist

>考えていたのはまさに５Vの別電源を用いることでした。上の説明はどういうことでしょうか。一般に単電源しか使わないとかそんな簡単なことではないですよね…

>もしかして増幅した信号、された信号により動作点が変わってしまうのでそれをキャンセルできるようにとかですか…

そんなに難しく考えることはありません。
ご質問の内容は、ANo.5の図で、３つの機器が”並列に”入っていることを想定すればよいのです。
ただし、「負荷」はFETのゲートです。（インピーダンスが非常に大きい）

小信号電圧源は負荷をドライブしようと一所懸命になりますが、何分にもインピーダンス 0Ωの電源が並列に入っているので、電力はみんなこちらに吸い取られてしまいます。（負荷の短絡）

そこで、電源との間に抵抗R1を入れます。
また、適正（バイアス）電圧に設定するために、ゲートに並列にR2を入れます。（電圧分割）
これで、小信号電圧源から見たインピーダンスが適当な値に保持され、信号が負荷に伝えられることになることが、おわかりいただけるでしょうか？

R1は大きいほど信号ロスを小さく出来ますが、負荷インピーダンスよりも十分小さくする必要があります。（直列ロスの減少）
そうすると（規定のバイアス電圧を得るために）必然的にR2を小さくせざるを得ず、今度は並列ロスが増大することになります。
この兼ね合いが「バイアス抵抗値選定条件」となるわけです。

負荷インピーダンスも（物によっては）一定とは限りません。
信号電力によってインピーダンスが振られることもあります。
従って抵抗では条件を満たさない機器もあります。
R1は電源とのセパレーションが目的なわけですから、抵抗に変わる素子(X)を考えることができます。
Xとは何でしょうか・・・？

Xの条件は、「直流はスイスイと通し、信号に対しては十分大きい抵抗をもつもの」です。
AF（低周波）では、直流との関係が近いので両者を十分分離することができない場合が多いのですが、RF（高周波）では両者の差を大きく取れるので、好んで使用されます。
RFではXを使用して、ご質問者さんがおっしゃる「バイアス別電源方式」をとった機器はいろんなところで見られます。
Xを使って別電源方式が取れれば、R2が不要なのでロスが小さく、かつ、極めて安定なバイアスを構成することが出来ます。
（AFでこの方式が取れるかどうかは別の課題です。条件を揃えて再質問してください）

Xの正体は敢えて申し上げませんが、おわかりになりましたら締めくくりにでも記載していただけると有難いです。

補足

No.5に対して補足をつけましたので解答よろしくお願いします。

回答No.6

soramist

すみません。
計算式が不十分でした。

　　I(mA)=2V/(0+1+1)kΩ　=1mA(rms)

回答No.5

soramist

>直流電圧源に対して小信号電圧源を直列につないだような図が書いてありますが・・・

どのような接続なのかよくわからないのですが、もしこのような接続なら、小信号電圧は負荷に伝達されます。

　　　　　　＿＿＿　　　小信号電圧源　　　　＿＿＿
　　　　　｜　　　　　（インピーダンス　1kΩ）　　　　　｜
　　　　　｜　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　｜

　　　直流電源　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　負荷
　（インピーダンス　0Ω）　　　　　　　　　　　　（インピーダンス　1ｋΩ）

　　　　　｜　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　｜
　　　　　｜　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　｜
　　　　　　￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣
[解説]
小信号電圧源は2Vrmsの交流信号出力を持つものとする（負荷オープン時）
　I(mA)=2V/(0+1+1)kΩ
ゆえに、小信号電圧源および負荷には、それぞれ1Vrmsの交流信号が発生する。
　注１　電源の交流インピーダンスは0Ω（に近い）。　
　注２　負荷オープン時出力2Vでも、負荷をつなげば両端電圧は下がる。

補足

そうです、考えていたのはこのような回路です。確かに並列につないだ場合はN0.6で述べているように負荷に電圧をかけることができないためバイアス回路が必要なのはわかります。（電力が吸い取られるとありますが小信号源の電圧がすべて小信号源自信の出力インピーダンスにかかるためですよね。）
では、この直列に接続する方式なら抵抗などは必要なく簡単に動作点が決定できるような気がするのですが…この方式ではなにか問題があるのでしょうか。ちょっとまだ理解できない部分もあり、かみ合っていない質問かもしれませんがよろしくお願いします。

ちなみにXというのはコイルのことですよね。

回答No.4

soramist

電源には大別して「定電圧電源」、「定電流電源」、「定抵抗電源」などがありますが、一般に用いられるのは定電圧電源ですので、この方に限ってお答えします。

定電圧電源はその名の通り、”負荷が変動しても電圧が変わらない”ことがウリです。
（「定電圧」の名前が冠せられなくても、安定している方が望ましいのは確かでしょう？）

電源（定電圧電源）は負荷が100A変動しても電圧変動は0Vであることが理想です。
（この状態を「出力インピーダンス 0Ω」と表現します。理想電源の代名詞です）

”負荷”が変動しても電圧はビクともしないのですから、これを”信号”でもって「ゆする」こともまた不可能です。
（負荷と信号は同じ位置にあることに留意）

この状態が、ANo.1さんのおっしゃっておられる「信号が短絡された状態」です。

さてここで前回記載した、電源から「1k/5kでバイアスをかけた場合」と「10k/50kでバイアスをかけた場合」とを思い出してみてください。
信号源からゲートを見たときのインピーダンス（入力インピーダンス）は、前者が0.833kΩ、後者は8.33kΩとなります。

前者のケースにおいて、仮に信号源の出力インピーダンスが0.833kΩで1V(開放時）であったとすると、この回路につないだときの入力電圧は1/2、即ち0.5Vになります。（FETの入力インピーダンスは無限大と考える）
後者の場合、入力電圧は
　　Ein=1Vx8.33/(0.833+8.33)=0.91V
となります。

バイアスの目的（かけかた）がご理解いただけたでしょうか？

補足

なるほど、教科書などでは直流電圧源に対して小信号電圧源を直列につないだような図が書いてありますが実際にあのようにつないでも直流電圧に小信号が重畳された波形にはならない、ということですね？

回答No.3

ytrewq

動作点を変えることが「バイアス」の目的です。
バイアスをかける方法として、いろいろな方法がありますが、
重要なことは安定した動作点を得ることです。
一般に半導体は温度によって、パラメーターが変化しますので、単純に直流電圧だけによるバイアスでは安定しないことがあります。
ソース側に抵抗を入れると負帰還がかかるので、安定します。

回答No.2

soramist

>入力（ゲート）に直流電圧をかければ動作点が決まるのでそれだけでいいような気がします。
>なぜわざわざ抵抗などを入れるのでしょうか。

どのような”直流電圧のかけ方”を考えておられるのでしょうか？

仮に、
　電源電圧　30V
　（ドレン電圧　30V）
　バイアス（ゲート）電圧　5V
に動作点を設定するとします。
この場合、電源電圧の1/6をゲートにかければよいことになりますので
一応、次の２ケースを想定してみます。
　　　　　　　　　　CASE1　　CASE2
　電源ーゲート　　5kΩ　　　50kΩ　　
　ゲートーGND　 　1kΩ　　　10kΩ　　

どちらもバイアス電圧は目標を達成しており、”静止時（無信号時）”
の条件としては申し分ありません。
問題は動作時（信号が入ってきたとき）の動作です。

信号源からゲートを見たときのインピーダンス（入力インピーダンス）は、両抵抗が並列になった形で現れます。
即ち、CASE1では0.833kΩ、CASE2では8.33kΩとなります。

ある出力信号でもって負荷をドライブするためには、
　　出力インピーダンス（ドライブ側）≪負荷インピーダンス
とならなければなりません。
つまり、
　CASE1では0.833kΩよりも十分小さく
　CASE2では8.33kΩよりも十分小さい
出力インピーダンスの信号源をもってこなければならないことになります。

前者より後者の方が容易であることがご理解いただけるでしょうか？

「どのような直流電圧のかけ方」を考えておられるのか、も一度お考えになってみてください。

万一（そのようなお考えはないと思いますが）、5Vの別電源をバイアス用に用意するなら、それこそ「信号が入ってもビクともしないアンプ」が出来上がるでしょう？

説明をずいぶん端折っています。
不明な点がありましたら、遠慮なく補足から質問してください。

お礼

もしかして増幅した信号、された信号により動作点が変わってしまうのでそれをキャンセルできるようにとかですか…

補足

不明な点はたくさんありますがとりあえず大前提らしきことについてお聞きします。

＞万一（そのようなお考えはないと思いますが）、5Vの別電源をバイアス用に用意するなら、それこそ「信号が入ってもビクともしないアンプ」が出来上がるでしょう？

恥ずかしながら考えていたのはまさに５Vの別電源を用いることでした。上の説明はどういうことでしょうか。一般に単電源しか使わないとかそんな簡単なことではないですよね…

回答No.1

gura_

>入力（ゲート）に直流電圧をかければ動作点が決まるのでそれだけでいいような・・・・

　その通りです。
ただし、その直流電源により増幅すべき信号が短絡されないような処置がとられていればの話ですが。

補足

＞ただし、その直流電源により増幅すべき信号が短絡されないような処置がとられていればの話ですが。

とはどういうことでしょうか。単に直流電圧源に小信号を重畳するだけでは問題があるということでしょうか。