増幅回路の基礎

増幅とは

増幅 — 小さな信号で大きな信号を制御し、出力が入力の線形増幅版となる。

Vin (小信号) → [増幅器] → Vout (大信号, Vinに比例)

Av (電圧利得) = Vout / Vin
Ai (電流利得) = Iout / Iin
Ap (電力利得) = Pout / Pin

利得は通常デシベル (dB) で表す:
  Av(dB) = 20 × log₁₀(Vout/Vin)
  Ap(dB) = 10 × log₁₀(Pout/Pin)

バイアス (Biasing)

バイアスが必要な理由

増幅器には直流動作点が必要であり、信号がデバイスの線形領域で振動できるようにする。

バイアスなし:         バイアスあり:
   ↑ Vout         ↑ Vout
   │  ┌──┐        │    ╱╲
   │  │  │        │   ╱  ╲   ← 完全な波形
   │──┘  └──      │──╱    ╲──
   └─ クリッピング └─────────

BJT 分圧バイアス (最も一般的)

         Vcc
          │
          R1
          │
    ┌─────┼── Base
    │     │     Vb = Vcc × R2/(R1+R2)
    R2    Re     Ve = Vb - 0.7V
    │     │     Ic ≈ Ie = Ve/Re
    └─────┼── GND

Re が重要: 負帰還により動作点を安定化
Ce (Re に並列) は任意: 交流信号をバイパスして利得を向上

3つの基本構成

共通エミッタ / 共通ソース (CE/CS) — メイン増幅器

          Vcc
           │
           Rc
           │
        ┌──┴── Vout  (位相反転!)
        │
      C │
Vin ─┤├─B   NPN
  Rb   │
       E │
         │
         Re
         │
        GND

特徴:
  Av = -gm × Rc  (高利得、位相反転)
  Rin ≈ Rb ∥ rπ  (中程度)
  Rout ≈ Rc       (中程度)
用途: 電圧増幅の主力

共通コレクタ / 共通ドレイン (CC/CD) — エミッタ/ソースフォロア

特徴:
  Av ≈ 1   (位相反転なし)
  Rin 高   (高インピーダンス分離)
  Rout 低  (低インピーダンス負荷を駆動可能)

「フォロア」とは = 出力電圧が入力電圧を追従する
用途: バッファ、インピーダンス変換、出力段
応用: 電圧フォロアは「入力インピーダンスが大きく、出力インピーダンスが小さい」必要があるあらゆる場面で使用される

共通ベース / 共通ゲート (CB/CG)

特徴:
  Av 高
  Rin 非常に低い
  帯域幅が広い (ミラー効果なし)
用途: 高周波増幅、電流バッファ

3つの構成の比較

周波数特性

帯域幅制限の原因

低周波減衰: 結合コンデンサ (直流遮断・交流通過)
高周波減衰: 寄生コンデンサ (ミラー効果)

      Av
      ↑
  Av(mid) ┌──────────┐
          │  平坦領域   │
  -3dB ───┼──────────┼───
         ╱            ╲
        ╱   BW帯域幅     ╲
  ─────┴──────────────┴─────→ f
       fL            fH

BW = fH - fL  (通常 fH >> fL なので、BW ≈ fH)

ミラー効果

共通エミッタでは、Ccb が入力と出力の間に跨って接続される:
  Cin(miller) = Ccb × (1 + |Av|)

コンデンサが (1+|Av|) 倍に拡大される!
→ 高周波応答が制限される主な原因
→ 共通ベースにはミラー効果がない → 高周波に適している

負帰還

帰還を加える理由

オープンループ: 利得は高いが不安定、歪みが大きく、帯域幅が狭い
クローズドループ: 利得を犠牲にして、安定性、低歪み、広帯域幅を獲得

クローズドゲイン: Af = A / (1 + Aβ)
  A: オープンループ利得
  β: 帰還率

Aβ >> 1 の場合: Af ≈ 1/β  (利得は外部素子のみで決定される!)

4つの帰還トポロジ

歪み

高調波歪み (THD): 入力正弦波に対し、出力に高調波成分が含まれる
クロスオーバー歪み: プッシュプル出力段のゼロクロス近傍の「デッドゾーン」
クリッピング: 信号が電源レールを超えると → 頭が削られる
飽和/カットオフ: トランジスタの動作点が線形領域から外れる

キーワード: 増幅器, バイアス, 共通エミッタ, エミッタフォロア, 利得, 帯域幅, ミラー効果, 負帰還