トランジスタに増幅させたい信号は
直流ではなく交流信号（音声信号など）である場合がほとんどであるが
交流信号だけを入力してもトランジスタは正常に増幅してくれない。
なぜバイアス回路が必要なのか？
トランジスタのベース–エミッタ間は
p形とn形の半導体によるpn接合＝ダイオードと同じ構造をしている。
（上図参照）
左図：バイアス電源無し 右図：バイアス電源あり
そのため、交流信号をそのまま加えると
ダイオードの整流作用によって正の波形しか流れず
出力信号は大きく歪んでしまう。
これを防ぐために、あらかじめ直流電圧を加えて入力波形全体を底上げし
負の電圧にならないように設定する。
この直流電圧を与えるための回路がバイアス回路となる。
波形を用いた解説
左図：バイアス回路ありの交流信号波形 右図：バイアス回路ありの交流信号波形
ベース–エミッタ間のダイオードの整流作用によって
制御信号の ib は正波側のみ流れ、負波側は流れないため
出力信号電圧 vo は歪んでしまう。
（上左図参照）
このような問題を解消するのがバイアス回路となる。
バイアス回路の役割は、直流電圧によって交流信号電圧 vi を底上げし
出力信号電圧 vo が歪まないようにすることとなる。
上右図のように直流電源 VBB (>l vi l)を挿入すれば
ベースーエミッタ間入力電圧 (vi+ VBB)は負にならないので
交流出力信号 vo はきれいな正弦波になる。
（上右図参照）。
代表的な3つのバイアス回路
固定バイアス回路
自己バイアス回路
ベース抵抗 RB をコレクタ側に接続する方式。
コレクタ電流が増加するとコレクタ電圧が下がり
結果としてベース電流を減らす「負帰還」が働くため
固定バイアスよりも安定性が向上する。
電流帰還バイアス回路
エミッタに安定化抵抗 RE を接続し
さらにベース電圧を2つのブリーダ抵抗で分圧して設定する方式。
温度変化等でコレクタ電流が増加しても
エミッタ抵抗による電圧降下でベース–エミッタ間電圧が絞られ
電流を一定に保つ強力な帰還作用（自己修正動作）を持つ。
図：固定バイアス回路
最も簡単なバイアス回路で、抵抗RBはバイアス抵抗と呼ばれており
ベース電流IBが流れる。このときの電圧降下VRBは
VRB = RB・IB
となる。
また、電源電圧VCCとVRB
VBEの間には
VCC = VRB + VBE
が成り立つので
バイアス電圧VBEは、
VBE = VCC – VRB = VCC – RB・IB
したがって、バイアス抵抗RBは、
RB = (VCC – VBE) / IB
となる。
固定バイアス回路の安定度
図：熱暴走
トランジスタの直流電流増幅率 hFE は温度上昇に伴って大きく増加する。
するとコレクタ電流 IC が大きくなり
さらにトランジスタ内部の温度が上昇するという悪循環に陥ってしまう。
これを熱暴走といい、固定バイアス回路の安定度はあまりよくない。
| バイアス方式 | 回路の複雑さ | 安定性 | 実務での採用度 | 備考・特徴 |
| 固定バイアス | 非常に簡単 | 悪い | ほぼ使用されない | 熱暴走のリスクが高い。素子の個体差の影響を直接受ける。 |
| 自己バイアス | やや簡単 | 普通 | 条件により使用 | コレクタからの負帰還を利用。トランス負荷などでは効果が薄い。 |
| 電流帰還バイアス | 複雑 | 非常に良い | 主流（広く使用） | ブリーダ抵抗とエミッタ抵抗による強力な自己修正動作を持つ。 |
- ROHM株式会社 エレクトロニクス豆知識「トランジスタとは」
- 東芝デバイス＆ストレージ株式会社 半導体基礎知識「バイアスと動作点」
新電気2019年１２月号新電気2019年12月号「特集 強電技術者のための電子回路」より一部引用