増幅回路

増幅回路詳解

はじめに

増幅回路は、入力信号よりも大きなエネルギーの出力信号を得る電子回路です。電源からの電力供給を受け、入力信号によって能動素子の動作を制御することで、信号のエネルギーを増大させます。単に信号を増幅するだけでなく、発振回路や演算回路など、様々な電子機器の構成要素としても重要な役割を果たしています。本稿では、電子回路における増幅回路を中心に解説します。トランスによる電圧・電流の変換のみでは、電力が大きくならないため、増幅回路には含まれません。また、アンプ内部では電圧増幅と電力増幅を組み合わせる構成も一般的です。

増幅回路の基礎

バイポーラ[トランジスタ]]では入力電流の変化、電界効果トランジスタ]や[[真空管では入力電圧の変化が、出力電流の大きな変化を引き起こします。この特性を利用して信号電力を増大させるのが電力増幅です。信号電圧を増大させる場合は電圧増幅、電流を増大させる場合は電流増幅と呼ばれます。電力増幅では、増幅素子がエネルギーを生み出すのではなく、入力信号を用いて外部電源からの電力供給を制御することで出力信号を生成します。

必要な増幅度を得るには、単段構成でも多段構成でも構いません。しかし、入力インピーダンスと出力インピーダンスを考慮すると、多段構成が一般的です。多段構成では、電圧増幅や電流増幅を行い、最終段の電力増幅で出力を取り出します。最終段は電力段、ファイナルと呼ばれ、その前の段はドライバ段と呼ばれます。

増幅回路の諸元

増幅回路の重要な諸元として、増幅率（[電力]]増幅率、電圧増幅率、電流増幅率）があります。増幅率は出力信号と入力信号の比で定義され、通常電力増幅率は1より大きくなりますが、電圧増幅率や電流増幅率は1より小さくなることもあります。これは入力インピーダンスと出力インピーダンスの差によるものです。増幅率は、真数で表現する他に、デシベル]で表現することも多く、利得とも呼ばれます。[[デシベル表現は、多段接続時の利得計算に便利です。

その他、入力インピーダンス、出力インピーダンス、周波数特性、効率、歪率、NF、P1dB、IP3なども重要な諸元です。

接地方式

真空管、トランジスタ、FETを用いた増幅回路では、電極の接地方法によって特性が大きく異なります。トランジスタでは、エミッタ接地、コレクタ接地、ベース接地の3種類があり、それぞれに特徴があります。真空管やFETの場合も、対応する電極を基準に考えます。

バイアス方式

増幅素子は、特定の直流[電圧]]範囲でのみリニアな増幅動作を示します。この動作範囲に収まるように、入力信号に直流電圧]を加える必要があります。バイポーラ[[トランジスタはノーマリーオフ、真空管はノーマリーオンという特性があり、バイアスのかけ方が異なります。FETにも種類によって特性が異なります。

バイアス方式には、固定バイアス、自己バイアス、電流帰還バイアスなどがあります。それぞれの方式は、バイアスの安定性や増幅率に影響を与えます。

固定バイアス

常に一定のバイアス電圧または電流を入力にかける方法です。単純ですが、温度特性の影響を受けやすいです。

自己バイアス

出力からフィードバックをかける方式です。負帰還により安定した動作が得られます。

電流帰還バイアス

エミッタ抵抗を用いた負帰還方式です。温度安定性が高く、hFEのバラつきに影響されにくい利点があります。

増幅回路の級

増幅回路は、バイアス量によってA級、B級、C級に分類されます。デジタルアンプはD級と呼ばれ、さらにE級～H級までデジタル技術を応用したアンプが存在しますが、これらはグレードを示すものではありません。

A級

入力信号の全瞬時値に対し出力が直線的に対応する方式です。歪みが少なく高音質ですが、消費電力が大きいです。効率は最大50%です。

B級

交流入力信号のうち片側の極性のみを増幅する方式です。効率は最大78.5%とA級より高効率ですが、クロスオーバー歪みが発生することがあります。プッシュプル接続することで、入力信号と同じ波形を出力します。AB級は小信号時にA級動作させる方式です。

C級

スイッチング動作に近い方式です。消費電力は最も低く、効率が高いですが、歪みが大きくなります。

D級

パルス幅変調やパルス密度変調を用いたデジタルアンプです。最大90%以上の高効率を実現できます。

E級

共振回路とスイッチング回路を組み合わせた高効率アンプです。

代表的な構成方式

増幅回路の構成方式には、シングル、プッシュプル、DEPP、SEPP、コンプリメンタリー、非コンプリメンタリーなどがあります。それぞれに特徴があり、用途に応じて最適な方式を選択する必要があります。

シングル

1個の増幅素子を用いる最も基本的な方式です。

プッシュプル

2個の増幅素子を正負対称に接続する方式です。B級動作が一般的ですが、A級動作させる場合もあります。

DEPP

出力端が2個のプッシュプル方式です。

SEPP

出力端が1個のプッシュプル方式です。OTLアンプなど、トランスレスのアンプに用いられます。

コンプリメンタリー

NPNとPNPトランジスタを組み合わせた方式です。トランスレスで構成できますが、完全な対称性は得られません。

非コンプリメンタリー

同じ極性の素子でSEPPを構成する方式です。大電力アンプで用いられます。

差動増幅回路

2個の増幅素子を左右対称に接続し、2つの入力端子の電圧差を出力する回路です。オペアンプなどに用いられます。

効率改善のための回路構成

増幅回路の効率向上のため、ポーラ変調増幅回路、ドハティ増幅回路、LINCなどが提案されています。

帰還

負帰還は、出力信号の一部を入力に戻し、入力信号と逆位相で合成することで回路特性を改善する技術です。正帰還は発振回路に用いられます。

用途による分類

増幅回路は、扱う周波数によって高周波増幅器、低周波増幅器、選択増幅器、中間周波増幅器などに分類されます。また、増幅する信号の大きさによっても分類されます。

多段増幅器とレベル配分

大きな利得を得るには、複数の増幅器を多段に接続する必要があります。各段の増幅器の設計と信号レベルを適切に調整するレベル配分が重要です。

結合方式

多段増幅器では、段間の結合方式としてコンデンサ結合、トランス結合、直接結合などがあります。

付加回路

増幅性能や安定性を向上させるための付加回路として、デカップリング回路やAGC回路などがあります。

まとめ

増幅回路は、電子機器の様々な場面で用いられる重要な回路です。本稿では、増幅回路の基礎から応用までを網羅的に解説しました。これらの知識を基に、皆様の電子回路設計にお役立ていただければ幸いです。

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