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電子情報工学基礎

第１０回

電子回路

アナログ回路（増幅回路）

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１． アナログ回路時間的に連続して変化する電圧や電流の信号（音声、電波）を扱う回路増幅回路（アンプ）、変調回路（FM、AM)、発信回路

２． ディジタル回路スイッチング（ON、OFF)により論理演算を行なう回路AND回路、OR回路、CPU、メモリ ・・

電子回路

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エミッタ接地回路

• エミッタを共通端子(アース)

とし，ベース-エミッタ間に入力信号を加え，コレクタ-エミッタ間より出力信号を得る．

• スイッチング素子として用いる場合は，飽和領域(on)および遮断領域(off)で使用

• トランジスタを増幅器として用いる場合は能動領域で使用

トランジスタ増幅器の基本回路１：デバイス構造 npn

VCC

IC RC

IB

VCE

飽和領域

能動領域

遮断領域

VCE

IC

IB大

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トランジスタ増幅器の基本回路２エミッタ接地回路

• VCE≒0のときB-C間のpn接合は順方向にバイアスされる。E-B間とB-C間がともに順方向バイアスのとき→飽和領域

• E-B間が順方向バイアス、B-C間が逆方向バイアスのとき→能動領域 （IC～IE)

飽和領域

能動領域

遮断領域VCE

IC IB

IC

IE

VCE

IB大

VCC

CC

RLRb

Re CeVBB

RC

IB

ICIL

Ii

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エミッタ接地交流増幅器

Ii：交流入力電流

VBB, Rb：ベースへのバイアス電流発生

Ce，Cc：バイパスコンデンサ（直流成分をカットし，交流成分を通す）

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直流等価回路

Ce，Cc：バイパスコンデンサ→∞

（直流成分をカットし，交流成分を通す）

VCC

CC

RLRb

Re CeVBB

RC

IB

ICIL

Ii

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IC：～IEと仮定

CecCECC IRRVV )(

トランジスタの動作点 Q (IB =IBQ、IC =ICQ )

直流負荷直線とトランジスタ特性曲線との交点

IB =IBQ

直流等価回路と直流負荷直線

直流負荷直線を与える

Q

の点

で、

0

CE

ec

CECCC

V

RR

VVI

Rc

Rb

Re

Vcc

VCEVCC

VCC

Rc+Re

VCE ICQ

VCEQ

IC 直流負荷直線

VCC

CC

RLRb

Re CeVBB

RC

IB

ICIL

Ii

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交流では、

コンデンサ→ショート

直流電源→ショート

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動作点を(VCEQ, ICQ)とすると、これを中心に振動する。

RC とRLの並列回路を電流路とする。

)( CEQCE

Lc

LcCQC VV

RR

RRII

交流等価回路と交流負荷直線

Rc RLRb

Ic

Ie

Ib

Lc

Lc

CCERR

RRIV

IB =IBQ

Q

VCEVCC

VCC

Rc+Re

ICQ

VCEQ

IC 交流負荷直線

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IB =IBQ

ΔIC ΔIB

動作原理

交流信号電流増幅作用（約100倍）

③通常ΔIC/ΔIB ＝β~100

①ベースに直流バイアス電流IBQと交流信号Ii

(振幅ΔIB )を重畳

②コレクタ-エミッタ間電圧VCE およびコレクタ電流 IC は，動作点(VCEQ, ICQ) を中心としてΔVCEおよびΔIC だけ変化

入力信号

出力信号

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IB =IBQ

交流信号の振幅を最大化する為に、下記のようにバイアスを設定

交流負荷直線CEQ

Lc

LcCQ V

RR

RRI

VCE=0でIC=2ICQとすることで振幅が広く取れる

ΔIC

ΔIB

動作点の決定

中心

出力

ICQ

)( CEQCE

Lc

LcCQC VV

RR

RRII

ΔIC/ΔIB =β~100

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• 現実の増幅器では、電圧利得又は電流利得 |A| が周波数に依存→低周波数側、高周波数側で利得が減少

• 低域遮断周波数 fl、高域遮断周波数 fh ： |A| が1/√2に減少する点

• 帯域幅BW ：fh– fl～fh

増幅器の周波数応答特性(frequency-response characteristics)

fl

増幅器の周波数特性

3 つの領域

低域周波数領域

高域周波数領域中間周波数領域

～KHz～Hz

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• 利得はデシベル(decibel)表示

利得とデシベル(dB)表示１

)log(20)(

)log(10)(

log20log10log20/

/log10log10)(

0

1

2

0

2

1

0

1

2

0

2

1

0

1

2

1

2

1111

2

0

2

0

000

0

mm

mm

m

AdBAor

PdBP

I

I

RI

RI

V

V

RV

RV

P

PdBP

RIR

VVIP

RIR

VVIP

P

P

電圧利得電流利得

電力利得

出力電力

入力電力

１

電圧利得 電流利得電力利得

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• 利得はデシベル(decibel)表示

利得とデシベル(dB)表示２

)log(20)(

)log(10)(

mm

mm

AdBA

PdBP

|Pm| = 1/2 = 0.5

|Am| = 1/√2 = 0.707106781

(dB) .-.

(dB) .-.

010233)7071070log(20

010233)50log(10

低域遮断周波数 fl、高域遮断周波数 fh は、利得が3dB減少する点

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• 高利得増幅器の一種、差動増幅器の応用

• 抵抗、コンデンサを外部接続し、電気信号の加算、減算、微分、積分など、演算が可能

演算増幅器(オペアンプ)

(Operational Amplifier)

入力０のときに出力０となるように調整する

回路

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オペアンプの内部回路

A

BC

A：電圧利得

Ri：入力抵抗

Ro：出力抵抗=AVd

理想的な演算増幅器

電圧利得 A→∞、入力抵抗 Ri→∞、出力抵抗 Ro→0

等価回路

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反転増幅回路電流は流れ込まない

𝑉𝑖 − 𝑉𝑝 = 𝐼𝑅𝑠

𝑉𝑝 − 𝑉0 = 𝐼𝑅𝑓

𝑉0 = −𝐴𝑉𝑝

𝑉0 = −𝑅𝑓

𝑅𝑠𝑉𝑖 − 1 +

𝑅𝑓

𝑅𝑠

𝑉0𝐴

𝑉0 = −𝑅𝑓𝑅𝑠

𝑉𝑖

Aは非常に大きい

V+

Vp = V+に相当（イマジナリーショート）

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非反転増幅回路

電流は流れない

𝑉𝑜 − 𝑉𝑝 = 𝐼𝑅𝑓

𝑉𝑝 = 𝐼𝑅𝑠

𝑉𝑝 = 𝑉𝑖

𝑉0 = 1 +𝑅𝑓𝑅𝑠

𝑉𝑖

増幅率は1以上

イマジナリーショート

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アナログ電子回路

MAXIM社

オペアンプ

2段

無線LAN用パワーアンプ（電力増幅器）

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まとめ

• アナログ電子回路

バイポーラトランジスタを使った増幅器

・負荷直線と増幅率

・周波数特性とデシベル表示

演算増幅器(オペアンプ)