出力インピーダンスのはなし

出力インピーダンスとは

よくいわれる出力インピーダンスという言葉ですが、具体的には回路のどこで決まるのでしょうか？

簡単なエミッタ接地回路で考えてみます。

右図のようにコレクタ抵抗を Rc エミッタ抵抗をRe、負荷抵抗を RL とした場合の電流の流れ方を考えてみます。

LineOut

用の回路を例にとります。オーディオのライン出力はインピーダンスが高く、約 10kΩ程度を考えます。この場合交流的に瞬間に出力出来る電圧を考えます。

１）ハイレベル側

　コレクタ抵抗を 1kΩとすると負荷 10kΩには交流的には 10µFを考えなくて良いのでハイレベル時の電圧は、電源電圧の 10V をコレクタ抵抗 1kΩ と負荷抵抗10kΩの分割と考えられます。計算では約 9.1V 。

２）ローレベル側

　ローレベルはエミッタのコンデンサーがAC的にはショートと考えられますが、出力する場合はコレクタ電位はこの電圧も関係します。トランジスタのコレクターエミッタ間飽和電圧 Vce の 0.3V程度を加えて 1.2V程度になります。

以上から、約 8Vp-p の信号を出力出来ることになります。

Speaker

を繋げたら？

スピーカーは 8Ω とすると上記と同じ計算では

１）ハイレベル側

　10V を 1kΩと 8Ω で分割するので、8Ω上では 80mV しか出せないことになります。

2)ローレベル側

　エミッター抵抗より負荷の方がかなり小さいので、トランジスタがONしてもコレクタ抵抗に流れる電流の増加は僅かで、上記計算のハイレベルよりやや電圧が下がる程度です。

やはり、普通のオーディオライン出力にスピーカーを繋げてもならないのはこういった訳なのです。

それではどうしたらいいのか

上記回路だったら、コレクタ抵抗を 10Ωぐらいにします。エミッター抵抗も1Ωにしてやれば、

１）ハイレベル側

　10V x 8Ω /(10Ω +8Ω) =4.4V となります。

２）ローレベル側

　(10V-0.3V) x 1Ω/(10Ω +1Ω) + 0.3V =1.2V となります。

　Vp-p は 3.2Vとなり、出力として 160mW 程度になります。

　大容量のトランジスタを使えば実用になるかも知れませんが、トランジスタにはこのとき、1A流れますし、中間レベルの 2.8Vを出力する場合、コレクタ抵抗の両端は 10V-2.8V = 7.2V 、10Ωなので電流は 0.72A 電力は5.2W も必要になります。ローレベル時は 10V -1.2V = 8.8V 、 0.88A なので 7.7W となります。

またトランジスタも中間レベル時 c-e 間 2V程度で電流は0.72A で1.44 W消費します。

抵抗で消費させる電力がバカにならないので、最後の回路 Speaker のように吐き出し側と、GND側に両方トランジスタをつかうプッシュプル回路がスピーカーなどを駆動するのが定番です。

これならば 10V電源時に各トランジスタの Vceと保護抵抗の電圧ロスだけですから、 9Vp-p程度は出力可能です。これなら 1.26W も出せる計算になります。

ソフト的には

出力インピーダンスはコレクタ抵抗と関係はありますが、用途によって回路構成が違うのでそれだけでは説明出来ません。しかしながら、上記のように低インピーダンス負荷を駆動できるインピーダンスの低い回路は、トランジスタに電流を流しているのがわかります。高周波では負荷とのコイルやコンデンサーのマッチング回路のフライホイール効果で、正負の両方のサイクルでトランジスターが関わってきます。

常に負荷のインピーダンスを考えて回路定数を設計する必要がありますね。