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* 余談(TransistorのSW動作)
analog synthにおいてはTr.の飽和領域の動作も重要ですが、一般的には飽和動作はTr.のSW動作等で出てくるくらで本質をわかっていない人も少なくはないのではと思います。そのよい例として 2000年代の始めごろNIFTYの電気関係のフォーラムで次のような質問が話題になっていたことを後から知りました。
その質問とは
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バイポーラトランジスタでの疑問です。
スイッチング回路として使った場合、オン状態のVceは（ほぼ）0vまで下がりますが、なぜ0vまで下がれるのでしょうか。コレクタ・エミッタの間にはベースがあって、Vbeは0.6v程が掛かっているのに。
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と言うものです。 意見が色々出たようですが当時そのフォーラムでは満足のいく回答が得られなかったようです。 一応Tr.のSW動作は飽和領域の動作と言うことは出ていましたし、Tr.の物理構造等の話も出ていましがそれでも明確に原理を示せる人はいなかったようです。
そもそもの疑問点はVb > Vc になることがその人にとっては理解できないことがらだったようなのですが。（ と言うかIbとIcが同じベース領域を通過するのならVb > Vcになるのはおかしいという疑問点らしくIbとIcが別領域を流れるのならわかるという見解らしいのですが.....。) おそらくはTr.の記号から受ける印象としてエミッタ領域、ベース領域、コレクタ領域を抵抗体のように考えていて電圧降下的に Vb > Vcになるのがおかしいと思ったのでしょうか。上の方で書いた transistor内部でのキャリアの流れの図の理解がまずは必要でしょうか。少なくともTr.の記号からだけではTr.内部のキャリアの動きは理解できませんしさらには飽和領域の振る舞いも理解不能でしょう。
この場合、コレクタ電位の発生元はトランジスタによる電流源であって抵抗の電圧降下はその電流値に対する結果であり、印加電圧Vccの分圧による結果ではないわけです。(すなわちIc の発生はVccが主体ではない) ここの部分を勘違いされる方が多いようですがIcはVccをRcで割った結果であるわけではありません。 便宜的に(というかTr.の外から見れば)その値に近くなるなるというだけですし（回路は単純であっても)そんな単純な動作ではありません。(*0)
そう考えてしまうからVb > Vcがおかしく思えてしまうわけです。Netの質問箱にもおなじような疑問点を挙げているケースがいくつもありましたが明確な回答はありません。Vb > VcならIcは逆方向（Vccに向って）に流れなければおかしいのではという疑問でした。 これはある意味正しくてIcf > Icr だから逆方向にならないだけですし、上記の飽和抵抗の説明のようにVcがマイナスの値まで変化できるのならIcは逆方向に流れるわけです。
*0:単純でないので上記に書いたような説明が必要かと。と言うかtransistor動作の本質にかかわる部分でもある。 簡単ではないといいながら簡単に説明するならばC-E間の電圧が下がりすぎて抵抗に対してのオームの法則が破綻しそうになるとC-E電圧を下げるのを阻止しょうというTransistor内部の反応が強くなってくるという負帰還反応。 すなわちIcの変化が飽和領域では低下してしまうという動作。それ以前は活性領域の動作をしている。コレクタ電圧は単にtransistor内部の電流源が流した電流が抵抗の電圧降下でコレクタに間接的に電圧をかけているわけだから負帰還のループからくる現象。
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抵抗の電圧降下はIcの値に応じてオームの法則によって得られる現象に対してIcはTr.のVbeの値からコントロールされるものなのでIcは本来Vbeの値によってはVcc/Rc以上になれるはずだが(*1)抵抗の電圧降下はVcc以上にはなれないので当然IcもVcc/Rc以上にはなれない制約の中でTr.がIcをどのようにコントロールしてつじつまを合わせる反応が発生するかと言うことです。（負帰還反応がおこること）またこのVcc - Rc - C-E - GNDの直列回路部分には電圧源と電流源の2っが存在している回路であるということです。（等価回路的には電流源は2つ）
*1:
非飽和ならば Ic= Is* exp(Vbe/vt)-1)なので飽和していなければIcはVcc/Rc以上になるはずのVbeを与えてもIcの値が破綻しないためのしくみ。
またこの回路はVcはRcによって間接的に印加されていますがコレクタにダイレクトに電圧を印加すれば簡単にVb > Vcに設定できるわけですのでVb>Vcでも何の不思議もないように思われますが。 トランジスタを動作させるためには2っのPN接合に対してそれぞれ電圧を印加すればいいわけでC-E間に電圧をかけているように見えても実はB-C間に電圧はかかっているわけです。
飽和動作ということでより単純に考えてもVce = Vbe - Vbc となるので両PN接合が順バイアスされた結果の差がVceということになりVbe、Vbcともプラスであって動作的な矛盾はなく順バイアスなのでVb > Vc であることはあたりまえということになります。そもそもB-C間をどうして逆バイアスで通常は使うのかの認識不足ということなのでしょう。また上記の接続ではVbc >= Vbeになってしまったら負帰還的にも動作が破綻するのでそうはならない反応です。すなわち Vb、Vcで考えるからおかしくなるので本来Vbe、Vbcで考える問題では。
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この部分、飽和領域の動作は逆Tr.の活性化によって生ずるということがわかっていれば理解できると思います。 Tr.のコレクタとVcc間に抵抗を配置した Tr. SW回路においてVbeが増加してコレクタ電流が増加すると抵抗の電圧降下によってVc電位は低下していきB-C間の逆Biasが序所に崩れVb=Vcさらには Vb > Vcで順BiasになっていくわけでそうするとIcfと逆方向にIcrが発生するためコレクタにつながった抵抗には2方向の電流が重畳されることになりVcの低下は両電流のせめぎ合いの結果となります。
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飽和がより強くなるにはVcがさらに低下する必要がありますが飽和が強くなればIcが減る(*1)すなわちhFEは低下するのでVcは上昇しようとして(単純には低下できず) 飽和の増加は抑えられます。 Vbは正Tr.、逆Tr.の共通電位なのでベースへの印加電圧の上昇に対してはVbe、Vbcとも上昇しますので両者は印加電圧の上昇に対してトラッキングして上昇しますがVcすなわちVceは上記の負帰還によって（ほぼ）変化しません。
それぞれの電流は増加しますが僮cfは僮crによって相殺されるので表に表れるIcは変化無しでIbとIeは上昇します。 Ieは増加しますが増加の度合いはTr.単体時に比べて小さくなります。これは逆Tr.のIcrがIbrとIerに分流するので Ief - Ier が Ieとなるためです。 Ibの増加は Ibrによるものです。 上図でベースにはRb=10Kが入っているのでIbが増えれば負帰還が働き Vbeの変化はLOGとなりますのでIb,Ieの変化は飽和後はリニアな変化です。
1:
Vce - Icの静特性においてVce(Vc)の低下（飽和が強くなる）でIcは低下。
Vbの上昇で飽和のレベルは固定でIcf、Icrは増加だが外からはIcは一定となる。
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* 電流関係( 飽和後はIcが一定 僮b=僮e βr=6.5)
* 電圧関係( 飽和後はVceが一定、 Vbe、Vbcはトラッキング βr=6.5)
Tr.の飽和が始まってもVceが数100mVオーダーではIcはまだEXPO上昇ですがVceがより低下するとIcのEXPO上昇が一転しIcは（ほぼ変化しなくなる。 すなわちIcがほんとうに飽和する現象が生じるわけです。 飽和領域という言葉と微妙に意味合いがちがうような....。
上の方の "正トランジスタの Vbe一定でVceを変化させたときの電流特性"はVbe固定時のIb、Ic、Ieの変化でしたがこのSW回路では印加電圧上昇と共にVbeが上昇していることに注意。
そのグラフとTr. SWの電流特性との対応を考えます。 TrSW回路のTr.のβrを=1として簡略化のために帰還がかかっているベースの10K抵抗をはずした状態でのIb、Ie、ICの関係グラフを以下に示します。
青: 100K抵抗無し時のIc(Ie)
橙: Ie(飽和後は Ie=Ief - Ier)
桃: Ib(飽和後は Ib=Ibr)
水: Ic (飽和後は一定値を保持)
緑: Ier
上図においてIeとIbはVbeの上昇とともに ΔIb = ΔIeに近づきます。
よってVbe一定の時の電流特性においてIbとIeの比率関係に対応したVceの値にこの Tr. SWの飽和時のVce(Vc)が固定されるというか近づきます。
Vbe固定時のグラフでIb=Ieの時Ic=0、よってIcの変化が無くなった時ΔIb=ΔIeとなるのでしょう。
Vbeが増加する過程で非飽和時はIcが増加していきますがVceが低下して飽和していくとIcは本来のIcから低下していくのでVbeの増加に対してIcの増加率はさがりIc=0になるVceの値まで下がるとIcの変化は最小になるという関係が基本動作から導かれる。
* Icカーブの変化
上のグラフはVbeをリニアに増加していった場合の結果ですが飽和領域に入る前は当然IcはEXPOで増加していきますのであるタイミングから急上昇します。 飽和しなければこれが続くわけで非常に大きな変化要素を持っているわけですがVbe固定時、飽和が始まるとVceの低下に対してIcは逆方向のLOGカーブで低下してきますがこのTr. SWの場合Vbeは固定ではなく増加しているのでこの(本来のIcのEXP増加) * （飽和におけるVceの値に対するIcの減る割合...すなわち飽和時と非飽和時のｈFEの比率）で飽和領域のIcの値が決まり、Icは最終値（Vcc/Rc）を漸近線としてLOGカーブ的な上昇になるということです。
これは1次LPFの通過帯域における負帰還現象や100%負帰還がかかるOP AMPのボルテージフォロワと同じく急激な増大にたいして負帰還が大きくかかる動作なのである特定値に向って収束する反応となります。ボルテージフォロワもGAINが1に近いが1には原理上ならないわけでこの場合もIcはVcc/Rcに近づくが同じにはならないこれは飽和によりC-E間が抵抗として動作するも飽和抵抗が0にならないためでもあります。さらには飽和が進行して飽和レベルが上がると逆方向のIcrが増大してIcfの増大を抑えることでTr.の外から見たIcの変化が鈍ることでもあるのです。
* Vbeの大きさに対するIcカーブのIc=0になるポイントの変化
上図はVbeの大きさの変化に対する飽和領域でのIcカーブの変化を示しています。Vbeが大きくなるほど飽和領域でのhFEの低下が飽和がより浅い時点から始まります。 すなわちVbeが大きいほど同じ値のVceでのhFEの低下が大きいということになります。これはVbeの上昇でIcのEXPO値がより増加しょうとするほど飽和領域に入るとIcに対して負帰還が強まりIcを低下させIc増加の進行がLOGカーブ的に圧縮されるしくみなのでしょう。
* Vbeの大きさに対するIcカーブのIc=0になるポイントの拡大
Tr.SWのVceの値は上記のように "正トランジスタの Vbe一定でVceを変化させたときの電流特性"のグラフのIc=0となるVceの値に近づきますがこの手の負帰還反応同様、その値までは下がりません。それはIc=0となってしまったらVbe増加による本来の定電流性のIcのEXP増加がいくら大きくても
Tr.SW回路のIcが0になってしまい破綻してしまうからでそれより少し大きいVceの値でおちつくのでIcは一定値で変化しない（実際には微量の増加がある。すなわち増加が圧縮されてしまう）という結果になります。
上記の電圧関係のグラフでVbcの上昇はIcの変化を受けての結果なので初めEXPO上昇であとは上の説明のように飽和が強くなればLOG的変化で最後はVceがほぼ変化しなくなればベースがVbe、Vbcの共通電位なのでVbe増加にVbcはトラッキングして動くので、VbeとVbcが増大していってもIcの変化が動かなくなる時点で飽和レベルの変動はなくなるので以後Vbeがさらに増加してもIc一定、Vce一定で変化が無いということが成り立ちます。
Tr. SW回路のきもと言うのはSW ON時のIcの一定値化（安定化）であって、SW ONを指定する印加電圧と言うかVbeがある程度以上あれば多少変動してもかなり大きくなっても飽和領域でのIcの定電流性の破壊によりこれがIcの増加に対して負帰還となってOutPUTとしてのVceの最低値、SWON時のOUTPUT levelを安定化させる回路であるということでしょうか。 すなわち入力側の印加電圧の変化は飽和領域に入ったことで出力電圧の変化としてはLOG圧縮されるので変化していないように見える。
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上図はベースの抵抗を取り除いた場合のグラフですが実際はベースに抵抗が入るので印加電圧上昇に対して Vbeの変化は LOG変化なので Vbeが収束に近づくわけでその時のVbeの
値とVbe一定の時の電流特性のグラフを対応させてIc=0の位置のVceの値に近づくということになります。
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飽和領域に入ることは逆Tr.が順Biasされることなので当然 Vb > Vcであってこの場合、上記のVCR回路と違って逆Tr.の順 Bias化としてのVbcの値は Vcがマイナスになれないことさらには正Trの構造と逆Tr,の構造の差により Vbe > Vbcになるということです。 飽和領域ではコレクタにつながっている抵抗には方向の異なる電流が重畳されていることが理解できているかと言うことが重要かと。
参考
Vce(sat) Vbe(sat)なることばの意味
Data Sheetにあるコレクタエミッタ間飽和電圧ですがこれはたとえばIb=10mA、Ic=100mA流した時のVceの値だそうです。 すなわちhFEが10に低下する飽和レベルのときにVceがいくつの値を示すかという意味ですので飽和時のVceの取れる最低値という意味ではありませんので念のため。またVbe(sat)...ベースエミッタ間飽和電圧はIbを10mA流すのに
B-E間に与える最大必要電圧だそうです。 以下に例を示します。
* hFE=10の位置でのIbとIcの関係の例
* 黄: Ib
* 白: Ic
カーソル位置でVbe=719mVでIc=100mA、Ib=10mAになっています。この時Vbc=656mV。 よってVce=63mV。飽和が開始してしばらくした位置。
* Vbe=719mV固定時でVceを0から100mV可変した時ののIb、Ic、Ibの関係
カーソル位置がIbとIcの関係が10倍になるポイント。この時Vce=63mVになっています。IbとIcの差が10倍に低下している飽和レベル（位置）のイメージ。 Icが0になる位置まではまだ距離があります。
* Ic=Vcc/Rlの漸近線と飽和進行時のIcの差
カーソル位置はVbe=719mVでｈFEが10に低下した状態ではまだIcと漸近線の差はありこれがVceに反映しているのでこれが狭まるほどVceは小さくなるが......
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上記の質問の根本的な回答としては回路図ではコレクタ -- エミッタ間に電圧をかけているように見えても実は両(正、逆) PN接合に対して電圧は印加しているのであってB-C間のPN接合に対しはVbcを加えているので別に Vb > Vcであってもおかしいことはないということではないでしょうか。 始めの方で示したEbers-Mool modelの図が生きてきます。
それ(飽和の問題)以前にtransistorと言うのは抵抗などのpassiveな素子と違い内部動作はオームの法則に従って動いているのではないということの理解不足と言うことでしょうか。 Vce=0VなのでVccと抵抗Rcによってオームの法則的にIcが決まると思っているからVb> Vcがおかしいという考えに陥るのでしょう。 活性領域においてはIcはVbeに依存する定電流源で定電流源なのでつながる相手に関係なく必要電流を発生するわけでこれはVbcがプラスになり飽和するまでは有効なわけです。 定電流、これは別の言い方をすれば回路の破綻が生じない範囲で必要電流を定電流値を満足するように引っ張ってくる動作なわけです。Rcの電圧降下と電流についてはオームの法則を満足するように定電流Icで電圧降下が発生しています。 飽和領域に入るとTr.の外から見れば定電流性は破綻することによって抵抗に対するオームの法則は守られるわけですが、Tr.内部の動作としてはVbeによる定電流性は機能しているがVbcによる逆Tr.の定電流性が発生しているので外部からほそのように見えている。
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外から見ればC-E間が抵抗として動作しているように見えるので Vb ＞ Vcがおかしく感じるがTrainsistor内部のキャリアの移動は抵抗のようにドリフトで動いているわけでなくあくまで主動作はキャリアの濃度勾配による拡散であってこれは活性領域の動作と同様であって飽和領域の違いは逆方向Transistorの活性化による定電流化の破壊であるということです。なのでC-E間にはベースの電位は発生してしないと回答すればいいのでしょうか。
このような一見単純なように見えるSW回路では、Vcが直接変化するVCR回路よりはわかりにくいことも確かです。さらにはVbeが小さい時は活性領域ではC-E間は定電流動作ですがVbeが大きくなってると飽和領域に入ればC-E間は外部から見れば抵抗動作としてふるまっているという大胆な変化が発生しています。この回路は単純に見えても複数の動作が同時に起こる、かつ負帰還回路であるということです。
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さらに外部印加電圧のtransistorに対する作用として、B-E間、B-C間に外部電圧を印加してもそれが作用するのは抵抗値の高い両空乏層に作用し、エミッタ、ベース、コレクタの各領域には作用していないという点。 あくまでtransistor内の電流の発生はB-E間の空乏層という障壁を緩和することによってエネルギーバランスが崩された結果、エミッタ領域の活性化したキャリア(NPN時電子)がベースに侵入してきたキャリアの濃度勾配による拡散であるという点を考えれば、この質問のようにtransistorを抵抗のような電界によるドリフトだけ発生する電流のイメージでとらえて理解しようとすると動作は??になってしまいます。 また電流の元となる活性化したキャリアの量はPN障壁(空乏層)を順BIASする具合で変化するという部分は動作を理解する上でさらに重要です。
飽和時はB-C間も順BIASされるためコレクタからベースに侵入するキャリア(電子)が発生しそれにより上記の" transistor内部でのキャリアの流れの図"にあるようにベース領域に発生する濃度勾配のすべり台の傾きが低下することによりIeが低下しますがこれは実質コレクタからのキャリアの侵入によりVbeが実質低下するのと同じ反応と解釈できます。
余談;
そもそも上記の問題はtransistorとは何かという根本部分が欠けていることから来ている話だと思います。transisitorは抵抗、capacitorなどのpassive素子とは違うactive素子ということ。すなわち上記のEbers-Mool modelが示すようにdiodeと内部に定電流源を持っている素子なわけです。 この定電流源部分の解釈がぬけているからおかしくなる。電流源の元となるキャリアが蓄えられていてB-E間に電圧をかけることで活性化していくイメージ。 定電流源なので逆BIASにならない限り活性化キャリアが流れ続ける。飽和は自らの逆方向transistorの活性化による反応。Vccは単にtransistorを活性領域で動かす為の物でしかない。
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さらなる余談(1) ...... Tr.の diode接続
1: コレクターベースを結線してB-E間に順BIASを加える。
2: コレクターオープンでB-E間に順BIASを加える。
たとえば抵抗の片方の端子に5Vをかけ片方をオープンにしてオープンにした時の電圧を見ると電流が流れていないので電圧降下はないのでオープン端子は5Vになります。 と言う
ことで単純に上記のQ2の図を見るとコレクタに電流が流れないのでベースと同じ電圧と思ってしまいますが実際はそうはならない。
1: diode 接続1(活性領域動作)
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Vb=Vcではあるがまだ飽和の入り口であってtransistorの動作は活性領域の動作になりますのでIe=Ib + Icの通常動作でベースに侵入したキャリア(電子)は一部はホールと結合してベースから排出、多くの電子はコレクタに侵入してコレクタから排出されます。 transistor動作の活性化動作そのものですが端子が2端子しかないので diode接続と呼ばれます。
2: diode接続2(飽和領域動作)
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単純に考えるとVbeとIbの通常の関係で動くように思われますがそれだとIbは小さすぎます。 結局この回路は飽和動作となり Vbe一定でVceを変化させたときの電流特性カーブのIb=Ieの関係と同等になるのでIeは本来のIeよりかなり減ります。
図のカーブではIb=Ieになった時の条件としてVceの値がありますが、このコレクタオープン接続ではコレクタオープンですがコレクタ電圧を測るとそのような値(Vce)が出てきます。なんだか不思議ですね。 上記のTr. SWのケースとよく似た条件になるわけです。
さらなる余談(2) ...... 飽和を利用したanalog synthの典型的な回路
* SAW波 三角波コンバータ
上図はVCOのSAW波を三角波に変換するコンバータでTr.の飽和領域を巧みに利用し正/反転回路です。 エミッタ電圧Veは入力電圧V1に追従するエミッタフォロワとして動作します。 一方コレクタ電圧VcはVeの位相反転した電圧を活性領域では出力しますがR1の電圧降下でVbcが順バイアスになると一転してVeと同相かつ同じ変化で出力するので抵抗値等を調整すれば上昇SAW波を三角波に変換できるコンバータになります。
上記のTr.のSW動作を基本としてエミッタフォロワの作用が重なった応用問題と言った所で動作はかなり複雑です。
* 電圧特性
Tr.が活性化するとVeはエミッタフォロワのOut putとして動作するので入力印加電圧をリニアに上昇させれば入力電圧と同じ変化で上昇します。一方IcとIeはほぼ同じ値なのでVc電位はVeの上昇変化に対して変化幅は同じで逆相で低下していきます。
Vc=Veに近づく以前にVbc=0になり飽和が始まりますがこの時点でVbe > Vbcです。さらにVcとVeの値が接近した時点でVbeとVbcの値も同様に接近。 またR1の電圧降下は(V2-Ve)以上になれない制約からVceが0に近づく飽和がかなり強くなった時点からVc電位はVeと同じ変化で上昇を初めます。 これは上記のTr.のSW動作と同様Icが(V2-Ve)/R1以上にはなれない制約からする反応で抵抗としてはオームの法則に従っている反応ですがTr.としてはどうIcのつじつまを合わせているのか。
Icが減るといことはVcだけ見れば飽和が弱くなっていくのかと思ってしまうがVeも上昇しているのでVceはVoutが上昇しても増加はしません。また入力の印加電圧はそれ以上に上昇しているので飽和レベルはわずかに上昇しています。
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Vbcに注目すると飽和以前は逆バイアスですがR1の電圧降下を受けて値は上昇、飽和して順バイアスになると負帰還がかかって変化が最少の上昇でVbeの変化とほぼ同じ。 逆トランジスタ側からみればエミッタフォロワ（この場合コレクタフォロアというべきか）として動作しているイメージ。ここがポイントでしょうか。
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* 電流特性
飽和以前はIcはIeとほぼ同じ変化でエミッタフォロワなので入力電圧のリニアな変化に対してリニアで上昇するがVbcが順バイアスになってさらにVbeとVbcの値が接近するとIeの増加と同じ変化で低下していく。 これは上記の電圧特性においてVeの値にVcの値が追従するから当然なのであるが飽和動作としてはどう考えればいいのか。
上のグラフからTr.の外から見ればIe = Ib + Icが非飽和、飽和領域共に成り立っており(*1)飽和しているのでIb（Ibr)は劇的に上がっている。 これは元々hFEが小さい逆方向Tr.が活性化しているから当然です。 上記のTr. SWでは飽和時 ΔIeの上昇の低下、Ibの急上昇がありIcに関してはΔIefが-ΔIerにより相殺されてIcは一定値であったがこの回路の場合同様の変化はIbのみ(Ieの2倍)でIeは変化なく上昇し、IcはIe変化と同じ傾きで下降する。
*1:飽和時はIb（すなわちIbr)がとても大きいのでIeがリニアに上昇したければIcは低下する必然。
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そもそも飽和しているのだから本来Ie増加も鈍ってゆるくなるかと思いきや変化率は変わらない。 この回路はエミッタフォロワによる負帰還回路なので入力電圧VinにVeは追従する必然がありIeが減ってしまえばVeがVinに追従しなくなってしまうので負帰還量を減らしてIeが飽和で減った分を補っています。そのためΔVbeが通常のエミッタフォロワ（R1無しの）より大きくなっています。(下図)
IerによりIefが減れば必然的にエミッタフォロワの抵抗Re(図ではR3)の電圧降下が下がりVbeが上昇するのでIefは増加してIer分を相殺してエミッタフォロワの動作を保つ。 この際若干エミッタフォロワの負帰還は下がるが。
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R1無しのエミッタフォロワとこの回路のエミッタフォロワのVbe
Vbe0: normal
Vbe: この回路
普通のエミフォロでは十分バイアスされたポイントならΔVbeは最少で飽和以前はそうなっているが飽和後はかなり上昇し続けていることからIcrがかなり大きくIefと逆方向のIerをキャンセルするためにこれだけΔVbeが増加しなければならない。 これはVbcも同様。
飽和はしているのだからIbは急増加しておりIcr、Ierも増加している。(Icr = Ibr + Ier) すなわちTr. SWの場合ΔIef = -Δier でIcが一定値だったのでこの回路の場合はΔIerが2倍となることで外から見たΔIcがΔIeと同じ変化で低下動作となり、R1の電圧降下の低下と合致するようにつじつまをあわせています。
* Vc/Ve/Vin/Vbe/Vbcの変化
* 桃:Vc
* 白：Vin
* 青: Ve
* 赤: Vbc
* 緑: Vbe
上のグラフを見ると飽和以降、逆方向Tr.もエミッタフォロワとして動作しているのが分かります。 すなわち入力印加電圧よりVbcだけ低い値でVc電位がリニアに追従上昇するようにIcの値にも負帰還かかり動くと言うことでしょう。 2っのエミッタフォロワ動作と飽和ということでTr.のSWよりかなり複雑でTr.SWのように "正トランジスタの Vbe一定でVceを変化させたときの電流特性"のグラフとの対応は簡単には取れません。
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と思いつつ " 正トランジスタの Vbe一定..."のグラフをよく見るとIbがIcの2倍になるポイントにおいてはIcがマイナスでIeと同じ値になっています。すなわちこれはIeの変化とIbの変化は上昇でIbはIeの2倍、Icは下降変化で変化率はIeと同じということを意味して
いるようにも思われます。しかしTr. SW回路のように飽和するとVceがほぼ一定の値で推移するのとことなりこの場合Vceは飽和後も低下に向って変動しており上記の関係が成立するVceの値に収束するわけではないようです。
やはりこれは複雑な回路でTr.SWの場合は飽和でIeの変化率が低下しますがこの回路の場合エミッタフォロワの負帰還によりIeの増加変化率は保持されます。保持されたままでは
Ic*R1の電圧降下が飽和とともに低下できないのでTr.SW以上にIcrが増大して外から見たIcの変化を下降変化になるような飽和レベルに移行させR1に対するオームの法則との整合性が取られます。 当然飽和時のIbの値の変化率はTr.SWのそれより増加するという結果になります。
上の説明のように飽和に入ると正トランジスタのみならず逆トラ供ににエミッタフォロワとして動作することになるのでこれの影響でVceの値は上記のポイントで固定されず変化しているように思われます。実際この変化はVbcのわずかな上昇を反映したものです。正トラのエミフォロに対してIerが影響するのと同様、逆トランジスタのエミフォロ動作に対して正トラのIcfが干渉するのでVbcは影響を受け結果Vceも固定せずVcのリニアな低下に対して飽和レベルも変動することでつじつまが合うのでしょう。
非飽和動作時は正トランジスタのエミッタフォロワで発生するIcfがR1の電圧降下に反映して飽和時は逆トランジスタのエミッタフォロワで発生するIcrとIcfがR1の電圧降下に反映する。Ierは正トラのエミフォロに干渉するがIcfも飽和時は逆トラのエミッタ(コレクタ)フォロワに干渉している。
実際VbeとVbcの変化は完全にトラッキングしてはいず、飽和の弱い時点ではその差が大きいですが傾きが同じに近くなるVinのタイミングでは" 正トランジスタの Vbe一定..."のグラフのIbがIcの2倍になるVceの値に近くなっています。のでVbeとVbcの変化率が同じであれば上記グラフのポイントが意味を持つということなのでしょう。
* VbcとVbeの傾きが同じになるポイント
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単純に考えるとエミッタフォロワのoutputの上昇が続き飽和領域に入ればVceが最少なのでVeにおされてVc電位はリニアに上昇するという解釈も表面上は成り立ちますが、実際は
飽和に入れば逆トラ側のエミッタ（コレクタ）フォロワが動作しIcfと逆方向にIcrを発生するのでIcf-IcrでIcが低下しかつ飽和しているのでVceは小さいままVcが上昇しているように見えている。
Ierの影響が正トラのエミフォロ動作に干渉するのでそれをキャンセルするようにエミフォロが働くと同時に逆トラ側もエミフォロに干渉するIcfの影響をキャンセルするように逆トラ側のエミフォロも動いている。 正逆両者ともエミフォロなので入力電圧Vinに追従するようにVe、Vc電位は動く。 逆トラ側はVbc、Icrが増加しているがIcrの方向がIcと逆なのでVcは上昇（R1の電圧降下は下がる）というかなり複雑な動作が内部では起こっています。 またVinの上昇でVb電位は上昇Vbは正逆トラの共通電位なので結局IeとIcの変化率は符号が違えと同じでVeとVcの変化も同様。 Ibに関してはTr.SWではIcが一定になるのにこの場合はIeの変化幅と同じ下降になるのでTr. SWの2倍のIbが発生していると言うことです。
<2022/05/26 rev0.9>
<2022/01/19 rev0.8>
<2022/01/11 rev0.7>
<2022/01/02 rev0.6>
<2020/08/14 rev0.5>
<2017/08/20 rev0.0>
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