DCバイアス: 揺れる前にまず居場所を決める
負荷線上で動作点を動かす
直線が負荷線だ。コレクタ電流とVceは常にこの線の上に一緒に乗る。バイアスを変えると動作点Qが線に沿って滑る。上端は飽和、下端は遮断だ。信号が最も広く揺れられる場所はどこか。
負荷線、コレクタ回路の約束
コレクタには電源Vccと抵抗Rcがトランジスタと直列につながる。この閉路にキルヒホッフの電圧則を使うとVcc = Ic Rc + Vce、すなわちVce = Vcc - Ic Rcになる。これはIcとVceの平面上の直線、すなわち負荷線だ。一方の端はIcが0の遮断(Vce = Vcc)、他方はVceがほぼ0の飽和(Ic = Vcc/Rc)だ。トランジスタの動作点は必ずこの線上のどこかにある。
動作点Qはバイアスが決める
負荷線上のどの点に座るかは、ベースへ流すバイアス電流が決める。バイアスがIbを決めると、C1の関係Ic = β Ibがコレクタ電流を決め、そのIcが負荷線と出会う場所が動作点Qだ。バイアスを少なくしすぎるとQが遮断へ下がりトランジスタが切れ、多くしすぎると飽和へ上がりVceが底に張り付いて動けなくなる。
真ん中が良い、スイングの余地
後で信号を入れると、動作点を中心にVceが上下に揺れる。Qが片端に近すぎると揺れがすぐ遮断や飽和に当たって切り取られる(クリッピング)。上下の余地が等しくなる負荷線の中央、すなわちVceがVccの半分ほどのとき、信号が両側に最も広く揺れられる。良いバイアスはまた、βや温度が変わってもQが大きく動かないよう安定でなければならず、よくエミッタ抵抗でこの安定を得る。
最初の画面に戻ると
バイアスを少なくしたとき動作点は遮断近くの下端にぶら下がり、上へ揺れる余地がなかった。多くすると飽和側の上端に張り付き、下へ揺れる余地が消えた。負荷線の中央に置いてはじめて上下の余地が等しくなり、スイング余地の表示器が最も高く満ちた。動作点は常に負荷線の上にあり、その位置を決めるのはバイアスで、最良の場所は信号が両側へ存分に揺れられる真ん中だ。さあ、その場所で小さな揺れがどう増幅されるかを見る番だ。
次へつながる流れ
これでトランジスタは活性領域の一点に安定して座っている。次のユニットではその点の周りの小さな揺れだけを取り出す。大きなDCをしばし忘れ、動作点付近でトランジスタを線形素子として見る小信号モデルだ。そこから小さな入力がどう大きな出力に育つか、増幅の計算が始まる。