1石トランジスタ回路の設計
バイアス回路とは
バイアス回路と言うのは、具体的にはトランジスタへ入れる入力信号にどれくらいの電圧と電流を加えるかを決める回路のことです。トランジスタの各端子には定格内の電位差と電流を設定しないと動作しません。そのため、入力信号をトランジスタが正常動作する電圧に「かさ上げ」（オフセット）し、電流も正常動作するレベルまで加えてやります。
一方FETは基本的にバイアス回路を必要としません。そのため設計が簡単になり、部品も少なくてすみます。しかしここではFETでも動作する回路の設計方法を述べます。
バイアス回路の種類
トランジスタにバイアスをかける方法は大きく分けて３つあり、固定バイアス回路、自己バイアス回路、電流帰還バイアス回路です。ここでは電流帰還バイアス回路のみを取り上げます。電流帰還バイアス回路は、トランジスタ個々の特性のばらつきが出にくく、かつ温度変化によるトランジスタの特性の変化も起きにくい回路で、初心者が失敗しにくい回路といえます。また一番使われている回路のようです。
ちなみにR2を取り除き、エミッタ（ソース）を直接GNDにつなげると固定バイアス回路になります。
電流帰還バイアス回路で設計したトランジスタ回路はFETに差し替えても動作する場合が多いと思います。ただし、ゲート・ソース間電圧(Vgs)がトランジスタのベース・エミッタ間電圧(Vbe)と若干値が違い、かつ極性が逆なのを考慮する必要があります。具体的には Vbeは0.6〜0.7Vなのに対して Vgsは-0.25V〜-0.4V程度です。正確な値は各トランジスタ・FETのデータシートをデバイスメーカのサイトから参照してください（といっても代表的なもの以外は入手が困難になってきているが）。インターネット上で入手できるものはpdfファイル化されています。
またFETの回路は上の例で言うR1（バイアス抵抗）がないものを見かけますが、FETはほとんどゲートからソース、ドレインへ電流が流れないために基本的にバイアス回路が不要なのです。R2もない回路もあります。ですからFETのゲートの前にあるR1,R2はインピーダンスを合わせるための回路と言えます。(ただし、ソースフォロワを指定した電位（振幅を最大限大きくするために）にする時には、ゲート電位を指定する必要となるためバイアスが必要になりますが)
（これについては「インピーダンスマッチング」を参照）
電流帰還バイアス回路の設計（エミッタ共通回路）
(基本的に鈴木雅臣氏の本(定本 トランジスタ回路の設計)の説明と同じです。)
エミッタ間電圧(Ve)と電流(Ie)の決定
エミッタ間電圧(Ve)は回路の安定動作に関わる所です。温度が上昇するとコレクタ電流(Ic)が増加しますが、同時にエミッタ電流(Ie)も増加しますのでエミッタ間電圧(Ve=エミッタ抵抗(Re)×Ie)が上がってベースエミッタ間電圧(Vbe)が減少してベース電流(Ib)が減少するので、その結果Icの増加を抑制することができ、回路が安定化するのです。この一連の動作が電流帰還です。
温度上昇 -> Ic増加 -> Ie増加 -> Ve上昇 -> Vbe減少 -> Ib減少 -> Ic減少
温度低下 -> Ic減少 -> Ie減少 -> Ve減少 -> Vbe上昇 -> Ib上昇 -> Ic上昇
この一連の動作でVeの上昇によってVbeが減少する理由はR1,R2によってベースの電位が固定されているため、結果Vb-VeであるVbeはVeの上昇で減少するわけです。
このような理由によりVeは大きくした方が安定性が高くなりますが、それによりReが大きくなり増幅度が下がります(電流帰還バイアス回路の増幅度は約Rc/Reです)。小信号用トランジスタの場合、Ieは1mA程度流すのが一般的です。そして電源電圧からReを決定します。仮に電源電圧を6Vと仮定して、Veを2V,Ieを1mAとすると、
Re=Ve/Ie(オームの法則:電圧＝電流×抵抗から)より2KΩとなります。
電源電圧が低ければVeも下げなくては大きな振幅を受け付けられなくなり波形の一部がクリップします。
ちなみにコレクタ共通回路（エミッタフォロワ）や高周波増幅回路は周波数特性を上げるためにIeは10mA程度にする場合があります。データシートを見ればわかりますが、トランジスタはたくさんの電流を流すと周波数特性がよくなり、高い周波数まで増幅できるようになります。その代わり消費電力が増えます。
R1,R2の決定
R1とR2はベースの電位を固定する役目とベースに十分な量の電流を流す役目を負っています。
十分な量の電流とは具体的にはベース電流(Ib)の１０倍程度です。Ibはエミッタ電流(Ie)から逆算して求めます。Ie=Ib×hFE(電流増加率)なので、仮にhFEが100だと Ieが1mAならIbは0.01mAになり、十分な量の電流はその１０倍の0.1mAになります。
hFEは個々のトランジスタによってまちまちで、同じ型番のトランジスタでも3〜4種類程度という大雑把なわけ方で販売されています。
2SC1815ならO,Y,GR,BLというランクがあり、hFEが40〜700程度までと様々です。
ちなみにFETではhFEに相当するものはなく、相互コンダクタンス(gm)の大小で増幅度の大小がわかります。gmにも値の大小によって３〜４種類に大雑把に分類されており、FETの型番の後にランク付けがされています.（2SK241-Y,2SK241-GRなど）
このようにトランジスタ、FETの増幅度は１つずつバラバラといってもいいぐらいなので、設計の方も大雑把になります。しかし結構アバウトに設計しても動作してしまいます。
ベースに流す電流の量を決定したら、ベース電位(Vb)を算出します。Vbは
Vb = Vbe+Veから
0.6V+2V=2.6V
になります。このVbeの電圧も測定条件によって若干上下します。
これでR1,R2の値を出す条件はそろいました。Vbの電位は2.6VでR1,R2は0.1mAを流します。これからR2の値が求められます。R2の電圧降下はVbe+Ve=2.6Vにする必要があります。ですので
R2=2.6V/0.1mA
で26KΩとなります。
R1の電圧降下(Vr1)は,電源電圧 - R2の電圧降下(つまりVbe+Ve)から
6V - 2.6V = 3.4V
となりますので、R1は
R1 = 3.4V / 0.1mA =34KΩ
となります。
R1,R2の値は高周波回路ではあまり抵抗値を上げると抵抗自身が雑音を発生するので、あまり大きな値を設定することができません。（抵抗値が上がるほど雑音が発生しやすくなる）
この場合は初めにR1,R2の値を決めてからVbの電位を決めます。R1,R2の値を低くすればするほど、ベースに流す電流は多くなりますが、多くなる分にはあまり問題ありません。ベースには増幅した分の電流を流すだけですから。（その代わり消費電力は多くなります）。
Rcの決定
Rcは大きな値にすればするほど増幅度は上がります。（一方Reは小さくすればするほど増幅度は上がります。）しかし、既に設計できる自由度は限られています。
R1の3.4Vの電圧降下でエミッタ電流(Ie)はコレクタ電流(Ic)とほぼ同じなので1mA。この条件からRcを決めなくてはなりません。単純に3.4V/1mAで3.4KΩにすると、振幅が全くないので増幅しません。振幅を一番大きくするには3.4Vの半分の1.7Vを基準として1.7V/1mA=1.7KΩにします。
注意：高周波回路になると増幅度がRC/REどおりにならなくなります。エミッタ共通回路の問題であるミラー効果や実装技術如何によって増幅度が思ったとおりに上がりません。2S1815などの低周波用トランジスタではRC/REが成り立つのは人間の可聴音領域(〜20kHz)程度と見たほうがいいでしょう。
もちろん、エミッタ電流をたくさん流せば高い周波数も増幅できますが、高周波には高周波用トランジスタやFETを使ったほうが無難です。
コレクタ損失をもとめる。（定格範囲内か確かめる）
コレクタ損失とは、具体的にはコレクタ-エミッタ間電圧(Vce)×コレクタ電流(Ic)です（単位は(W)ワット.電力(W)=電圧×電流）。コレクタ損失が大きい程トランジスタが熱を帯びます。つまりこの値が小さいほど熱が出なく効率がいいとも言えます。
Icはエミッタ電流とほぼ同じなので、Ic=1mAです、VceはVcc - コレクタ電圧(Vc) - エミッタ電圧(Ve)なので
Ic = Ie
Vc = Rc × Ic = 1.7kΩ × 1mA = 1.7V
Ve = Re × Ie = 2kΩ × 1mA = 2V
Vce= 6V - 1.7V - 2V = 2.4V
コレクタ損失は
2.4V×Ic = 2.4V × 1mA = 2.4mW で ちなみに代表的な小信号低周波増幅用トランジスタである2SC1815の定格では400mW(までOK)なので全然問題ありません。
これまでの設計したものは増幅率が下がるのでは？（増幅度をもっと上げるには？）
電流帰還バイアス回路は、RC/REが増幅率になると述べました。
しかしこれまで設計した例だとRC/RE = 1.7kΩ/2kΩ < 1.0 で、逆に増幅度が下がってしまいます。
これでは増幅回路ではありません。
これを回避するにはREに並列にコンデンサをつなげます。
このコンデンサをエミッタバイパスコンデンサといいます。
コンデンサをつなぐことで増幅する信号がREを通らずにコンデンサを通り、そのコンデンサの容量性リアクタンス(抵抗の１つ。式は1/(2πfc)が限りなく0に近ければ理屈では無限大(実際はトランジスタの電流増幅率程度に収まる)の増幅率になります。しかし、このコンデンサの抵抗分(容量性リアクタンス)は式からもわかるように周波数によって値が違ってきます。低周波回路なら10μFの電解コンデンサをつなげればいいでしょう。
ノイズ除去のコンデンサをつける
トランジスタのコレクタ端子のすぐ近くにコンデンサをつけて、片方の足をGNDにつなげてください。
ただし、Rcとコレクタの間に入れたら、増幅度が周波数特性をもってしまいますので、RcとVccの間に入れてください。
これはバイパスコンデンサ（略してパスコン）と呼ばれるもので、直流電流に含まれているノイズを除去するために存在します。パスコンの値は、低周波だとコレクタに一番近いものは0.1μF電源付近に10μF程度をつなげます。
高周波回路になれば0.1μFを0.01μF,0.001μFと小さくしていき、パスコンの前に小量抵抗を加えるとローパスフィルター(カットオフ周波数1/2πfR)を形成しますので、よりノイズをより除去できます(抵抗分の電圧降下に注意。)。
以上、代表的なエミッタ共通回路の電流帰還バイアス回路の設計方法を述べましたが、書いている本人も嫌になるほど色々考慮すべき所が多く、基本的に四則演算で設計できるのだが、手計算でやるとすぐに設計を誤ってしまう事が多い。それで簡単な設計ソフトを作ってみようかと何度も思ったが、実際はやるに至っていない。１石でこんなに面倒なんだから今時こんなの本気でやる人間がいるのかと思ってしまうのだが。
（この回路は実際にはテストしていません。多分トランジスタを小信号増幅用FETに差し替えても動く可能性は高いと思います。）
ちなみにインピーダンス＝SQRT(純抵抗分 + 容量性リアクタンス + 誘導性リアクタンス(=2πfL))であり、
容量性リアクタンスと 誘導性リアクタンスは周波数によってリアクタンス値が違ってきます。
（SQRTは√と同じ意味。）
増幅度を周波数によって可変させるには？
オーディオアンプではトーンコントロールがありますが、低音を強調したい、または高音を強調したい場合はRCまたはREの値を周波数によって可変させればできます。
具体的にはRCにローパスフィルタ、ハイパスフィルタを形成してやればよいのです。
カットオフ周波数は1/2πfRとなります。
一部分の周波数のみ増幅させたるには
これはラジオの中間周波増幅部に必ずある回路で、Rc部分を共振回路にして増幅したいの周波数のみのインピーダンスを理論上無限大にすればよいのです。
AMラジオでは専用のIFT(中間周波トランス)があり、コンデンサが内蔵されていて、それだけで共振回路を形成しています。
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