電子情報工学基礎 - 九州大学...
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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)