第８章　電子回路

増幅回路

(Amplifying Circuit)、増幅器(Amplifier) 小さな信号を大きな信号に拡大する回路。時には高入力_{Imp.を低出力Imp.} へとインピーダンス変換したり、不用の信号・雑音を取り除く。電子回路の 中で最も基本となる回路） 電圧・電流・電力増幅器、直流・交流増幅器、選択増幅器、差動増幅器、広帯域・狭 帯域増幅器、A級・B級・C級増幅器、プッシュプル増幅器、他

発振回路

(Oscillation Circuit)、

発振器

(Oscillator)

増幅器等の大半の回路は入力があって出力を出すが、入力が無くても電 源を入れるだけで一定の波形を連続的に発振させる回路をさす。

LC（コルピッツ、ハートレー）発振器、RC（移相形、ターマン、ウィ－ンブリッジ形）発 振器、水晶発振器、マイクロ波発振器、他

変調回路

(Modulation Circuit)、

変調器

(Modulator)

電話のように音声を一定振幅・周期の別の信号に重畳してから送り出す回路で、ラ ジオやFM放送、さらにはテレビもこの回路を通して信号を出す。

振幅変調器（AM）、周波数変調器（FM）、位相変調（PM）、パルスコード変調器 （PCM）、磁気変調器（Magnetic Modulator）、他

復調回路

(Demodulation Circuit)、復調器(Demodulator)

変調された波から信号波を取り出すことを復調、または検波というが、検波 には別の意味もある。変調に対して復調する装置を復調器という。

AM検波器、（スーパー）ヘテロダイン検波器、周波数弁別器（FM検波器）、パルス コード復調器、他

電源回路

(Electric Power Circuit)、電源( Power Source、 Power Supply)

回路を駆動するための電力を供給する回路を電源回路という。_100V商用 交流電源から必要な直流電圧を得るため、一般的には変圧回路・整流回 路・平滑回路からなる構成をとる。

電圧電源、電流電源、他 ［別：蓄電池（Battery）、電池（Cell）、他］

アナログ回路

増幅器

v₃ R_C R_E V_CC V_EE v₄ R_C v₂ v₁

エミッタ接地増幅回路 電圧利得と電流利得が大きいので、 電力利得が大きな増幅器で利用 ベース接地増幅回路 電圧利得は大きく、電流利得は１より小 さいが、高い周波数まで安定。 コレクタ接地増幅回路 電流利得は大きいが電圧 利得が１より小さい｡入力 Impは非常に大きい。

トランジスタ（単純）増幅回路

v_s v_s v_s R_s Rs R_s V_b V_e V_b V_{c V} c V_e R_L R_L R_L

～

～

v_o v_o

～

vo

目的別分類： 電圧増幅器、電流増幅器、電力増幅器 信号周波数別分類： 直流増幅器、低周波増幅器、高周波増幅器、広帯域 増幅器、狭帯域増幅器［選択増幅器］ 構成別分類： 差動増幅器、プッシュプル増幅器（_{A級、B級、C級）、} 他 1 10 102 ₁₀3 ₁₀4 ₁₀5 ₁₀7 ₁₀8 利得 Gain(dB) 周波数(Hz) 0.1 低周波増幅 直流増幅 広帯域増幅 高周波増幅 増幅器の動作帯域

増幅器と動作帯域

入力信号電圧：_vs 信号源インピーダンス：Z_s 増幅器の入力インピーダンス：Z_i 負荷インピーダンス(抵抗)：R_L 増幅器への入力電圧：v_i 入力電流：i_i 出力電圧：_vo 出力電流：i_o v_s Z_s v_i i_i Z_{i v} o i_o R_L i i s s i Z v v Z Z   s i s s s i Z i i i Z Z    s s s v i  _Z 入力信号 増 幅 出力信号 電源エネルギー

増幅器の入出力関係

入力に対する出力の比を増幅度または利得といい、一般にAで表す。入 力信号の電圧、電流、電力をv_i、i_i、P_iとし、出力信号のそれらをv_o、i₀、P_oと すると、それぞれの利得は以下となる。 o o o p v i i i i P v i A  _P  _{v i}  A A 利得は倍率を表し、増幅器の種類によって数倍から106_{～のものまで} あり、範囲が非常に広い。そこで常用対数を用いて利得を表し、単位 にデシベル_{(dB)が用いられている。} 10 20log o [dB] v i v G v  10 10log o [dB] p i P G P  10 20log o [dB] i i i G i  2 10 ₂ 2 10 10 10 10 20 log log ( ) log [dB] o L p i i o i o i v Z G v Z v v v v   

増幅器の利得

o i i i A  _i o v i v A  _v

帯域幅 中域 低域 高域 3dB

A

2 A

f

_l

f

_h 利 得 周波数

周波数特性

増幅器に一定信号の正弦波を入力し、その周波数を変えると図のような利 得曲線が得られる。この曲線を増幅器の周波数特性という。中域の平坦な 利得を基準にして_{3dBダウン（} 倍、_{70.7％）する周波数を遮断周波数とい} う。f_l を低域遮断周波数、f_hを高域遮断周波数といい、この間を増幅器の帯 域という。 利得と帯域幅の積を_{GB積（増幅器の良さを示す指標）という。} 1 2

オペアンプ

アナログ信号処理デバイスとして、演 算増幅器（operational amplifier、オペア ンプ）が多く用いられる。 オペアンプの特徴は、 １） 入力インピーダンスが高い （数百k～数M） ２） 出力インピーダンスが低い （数十） ３） 電力増幅度が大きい（104_～106_） ４） 周波数帯域が広い ５） 内部雑音が少ない オペアンプの入出力特性は、これにつ ながれた周辺回路によって決まる。 最 も 一 般 的 に 用 い ら れ る_DIL パッケージのオペアンプ 1 2 3 4 8 7 6 5   V_CC+ V_CC NC NULL NULL   非反転入力端子 反転入力端子 出力端子

信号の増幅

オペアンプの２つの入力端子に電 位差(V₂V₁)が生ずると、出力端子 に増幅された電圧V_oが発生する。オ ペアンプの増幅度をA_Vとすると、 となる。ただし、この方法では出力電 圧は電源電圧V_CCを超えることはで きない。 オペアンプの出力を反転入力端子 へ戻し（負帰還）、非反転入力端子 をアースに接続する。入力端子に電 圧V₁を加えると、入力端子_aの電圧 が_{0となるように電流が流れる}。オペ アンプの入力端子間の電位差が_0と なるので、これを仮想短絡という。_a 点には電流I = V₁ / R₁が流れ、オペ アンプの入力インピーダンスが大き いので、_{b点にもこの電流が流れる。} b点の電位はa点よりも低くなり、出 力電圧V_oは、 となる。増幅度は、 となり、抵抗の比のみで与えられる。 また、極性は入力電圧と逆になる。 反転増幅回路     2 1 ( ) o V V  A V V 2 2 1 1 o R V R I V R     V₂ V_{1 V} 1 V_o = A_V (V₂V₁) R1 R₂ a b V_o I virtual short 2 1 V R A R  

信号の増幅

入力電圧を非反転入力端子に加 え、反転入力端子に帰還をかけると、 入力電圧と同じ極性で増幅すること ができる。入力インピーダンスが高 いので、a点には電流I = V_o / (R₁ + R₂)が流れ、またa点の電位はV₁と等 しくなることから、 よって、増幅度は、 となる。 ボルテージフォロワは仮想短絡の ため、帰還回路に電流が流れず、増 幅度が_{1の特殊な回路である。負荷} による電圧降下を防ぐための緩衝 器（バッファ）として用いる。 非反転増幅回路   V₁ R₁ R₂ V_o

I

virtual short 2 1 1 V R A R   a 1 1 1 2 o R V V R R   1 2 2 1 1 1 1 1 ( ) o R R R V V V R R     ボルテージフォロワ   V₁ V_o virtual short

信号の演算（加算）

複数の入力電圧の加算値に比例 した出力を得るためには、加算増幅 回路を用いる。 n個の入力電圧V₁、V₂、…、V_nをそ れぞれR₁、R₂、…、R_nを通して反転 増幅回路に入力する。帰還抵抗_Rf を流れる電流I_fは、 となる、ただし、 である。その結果、出力電圧V_oは、 となる。ここで、_{R1=R2=…=Rn=Rに} 設定すると、 となり、V_oは入力電圧に比例する値 になる。   V₁ R₁ R_f a b V_o I_f R₂ R_n I₁ I₂ I_n V₂…V_n … 1 2 f n I  I I   I 1 2 1 2 1 2 n n n V V V I I I R R R  、  、 、  0 1 n i f f f i i V V R I R R     



1 n f o i i R V V R _  



信号の演算（減算）

２つの入力電圧の差に比例した出 力を得るためには、減算増幅回路を 用いる。この回路は差動増幅回路と も言われる。 ２つの入力端子a、bの電圧V_a、V_b は、 であるが、負帰還のため、これらは 等しくなる。 電流I₁とI₂はそれぞれ、 なので、これらを代入すると、 よって、 となり、出力電圧は２つの入力電圧 の差に比例した値となる。   V₁ R₁ R₂ a b V_o I₁ R₁ I₂ R₂ V₂ 1 1 1 2 2 a b V V R I V R I    1 1 1 2 2 V  R I  R I 1 1 1 2 2 2 1 2 o V V I R R V I R R      1 2 1 1 2 1 2 1 2 o V V V V R R R R R R      2 2 1 1 ( ) o R V V V R  

信号の演算（比較）

２つの電圧の大小を比較するには 比較回路（_{comparator）を用いる。比} 較回路は負帰還をかけない回路を 用いるため、入力端子間のわずか な電位差で出力電圧が飽和する。 そこで、反転入力端子に基準電圧_Vr、 非反転入力端子に信号電圧_Vを与 えると、 V > V_rのとき、V_o = V_CC V < V_rのとき、V_o = V_CC が出力される。   V₁ V_o V_r 電圧 時間 V_r V_o V_CC V_CC 信号電圧 基準電圧 時間

信号の演算（積分）

信号電圧V(t)の積分値に比例す る出力を得る回路を積分回路といい、 位相差を作り出すためにコンデンサ を用いる。コンデンサの両端の電位 差は充電電流の積分値に比例する ので、出力電圧V_o(t)は、 となる。これより、出力電圧が信号 電圧の積分電圧に比例することが わかる。 積分回路にステップ上の信号電圧 V_sを加えると、出力電圧は、 となり、時間_{tに対して直線的に減少} し、オペアンプの供給電圧（V_CC）に 達すると飽和する。   V(t) R C V_o(t) I(t) 1 1 ( ) ( )d ( )d o V t I t t V t t C RC  



 



( ) s o V V t t RC   電圧 時間 V_CC 時間 V_s V_s t=0 CR

信号の演算（微分）

信号電圧V(t)の微分値に比例す る出力を得る回路を微分回路といい、 積分回路の抵抗とコンデンサを入れ 替えた回路となる。コンデンサを流 れる電流I(t)は、蓄積される電荷量 の微分値に等しいので、 となる。したがって、出力電圧は、 となる。 積分回路に入力する信号電圧が V(t)=Vsin2ftのとき、出力電圧V_oは、 となり、周波数が大きいほど振幅が 小さくなる。一方、微分回路は、 となり、周波数が小さいほど振幅が 小さくなることがわかる。 周波数の限界は両者とも共に、 で、積分回路は低周波を通すので低

周波フィルタ（_{low pass filter）}、微分

回路は高周波を通すので高周波フィ

ルタ（_{high pass filter）}、組み合わせた

ものをバントバスフィルタという。 フィルタ回路   V(t) C R V_o(t) I(t) d ( ) ( ) d V t I t C t  d ( ) ( ) ( ) d o V t V t RI t RC t     2 2 cos( ) o V V ft fRC





 2 cos(2 ) o V  



fRCV



ft 1 2( ) c f 



RC

電流－電圧変換

電流変化形センシングデバイスな どを用いるときは、電圧に変換した 後、信号処理を行った方が便利であ る。このような場合は、オペアンプを 用いた電流－電圧変換器などを用 いて電流量に比例した電圧出力を 得る。   R V_o I 電流変化形 センシング デバイス

発 振 器 ・ 変 調

器・電源

発信回路

一定の周波数を持った周期波形信号を発生する回路を発振回路といい、 正弦波を発生する調和発振回路と、ある時定数の過渡現象を繰り返して周 期波形を発生する弛張発振回路がある。原理的には増幅回路に帰還回路 を介して正帰還をかける帰還形発振回路と、負性抵抗特性を利用する負性 抵抗形発振回路がある。

ハートレー形

_{コルピッツ形}

C₁ L₁ L₂ C₂ L₃ C₃

変調回路

AM、FM変調方式の相違 変調機 A/D 変換 AM ① FM ① FM ② 信 号 波 振 幅変 調 波 周 波変 数調 波 周 波変 数調 波 信 号 波 デ ジ変 タ調 ル信 号 ① ② 1 0 1 搬送波 信号

パルス幅変調

（Pulse with modulation）

PWM

パルスコ－ド変調 （Pulse code modulation）

PCM

振幅をパルス幅に変換する

振幅をパルス列に変換する

v₀ v₁ R V_out V_i Stabilizer C AC 100V 負荷 変圧回路 整流回路 平滑回路 安定化回路

電源回路構成

電源は変圧回路、整流回路、平滑回路、安定化回路の４つの回路からな り、変圧部では目的の直流電圧近傍まで電圧変換する。整流回路と平滑回 路で必要直流電圧に波形整形後、リップルのない直流を得るために安定化 する。

t t v₀ v₁ t t v₀ v₁ v₀ =V_msint i R_l  v₁ v₀ Rl   v₀  D₁ D₂ v₁ 入力波形と出力波形 実用形整流回路

整流回路（半波整流と全波整流）

   

v_{1 C1 C2} L R_L V₀ i 平滑回路（凸凹を平滑する_Filter） ブリッジ形 全波整流回路 v₀ R_l  D₁ D₂ D₃ D₄ v₁ 入力波形と出力波形

ブリッジ形整流回路と平滑化回路

 t t v₀ v₁ V0





T

_r1

T

_r2

R

₁

_R

2

R

₃

VR

ZD

V

_D

V

_i

V

_out

V

_BE

電源安定化回路

トランジスタとツェナダイオードによる電圧安定化回路を示す。_V1のリップ ル分を取り除いて完全な直流とし、また出力で負荷変動があっても出力電 圧V₂に変化がないように安定化する回路。

その他の

電圧を周波数_(パル ス幅の周期の逆数_)に 変換する回路で、アナ ログ量をデジタル量に 変換する時に用いる。 A-D変換器の一種。 1 _i 1 B v f T V RC   

Vf コンバータ（電圧

周波数変換回路）

o i f f Q C v V C C  

fV コンバータ（周波数

電圧変換回路）

入力に波高値V_iのパルスが加わるとダイオード_D1、_D2を通してQ = CV_i の 電荷がC_fへ充電され、出力電圧をv_o とすると、 が出力される。続 いてパルスが入 力されると、出力 電圧_voは波高が 上式分だけ階段 状 に 増 加 す る 。 す な わ ち 入 力_Vi が 加 わ る た び に 出力v_oは直線的 に増加する。

入力電圧v_iが容量Cの 充電電圧よりも小さくな るとダイオード_DがOFFと なって、v_iのピーク値がC の電圧値として保持され る。 利得_{1の反転増幅器を} 用 い て い る が 、 ス ル ー レートの小さい、素早い 立ち上がりを示し、出力 電 流 の 大 き な も の が 必 要である。動作は上と同 じ。

ピーク値検出回路