第4章 電子回路

トランジスタの増幅回路

	エミッタ接地増幅器	ベース接地増幅器	コレクタ接地増幅器 (エミッタホロワ接地増幅器)
入力インピーダンス	中	小さい	大きい
出力インピーダンス	大きい	非常に大きい	小さい
電圧利得	大きい	エミッタ接地とほぼ同じ	1より小さい
電流利得	大きい	1より小さい	エミッタ接地とほぼ同じ
電力利得	大きい	エミッタ接地より小さい	エミッタ接地より小さい
入力電圧と出力電圧の位相関係	逆位相(180度異なる)	同相	同相
周波数特性	普通	エミッタ接地より良い	エミッタ接地より良い
左からエミッタ接地増幅器、ベース接地増幅器、そしてエミッタホロワ接地増幅器。 エミッタ、ベース、そしてコレクタが入出力の共通端子として接地されている。 トランジスタのコレクタ電流Ic、ベース電流Ib、エミッタ電流Ieの関係 Ie = Ib + Ic ベース接地電流増幅率 - A =Ic / Ie エミッタ接地電流増幅率 - B = Ic / Ib AとBの関係 - B = A / (1 - A)

増幅方式

増幅器では、ひずみを少なく、また効率よく動作させるため、 入力側ベース(制御格子)に適当な直流電圧(例えばEb)を加えておいて、 これに交流電圧(入力信号)を重ね加える。

バイアスの加えかたによって、増幅動作は大きく次の 三つに分けられる。

• A級増幅器
  動作点が、特性曲線の直線部分の中央になるように加える方式。
  受信機の高周波増幅、中間周波増幅、低周波増幅。
• B級増幅器
  特性曲線において、ちょうどコレクタ電流が流れなくなるところまでバイアスを加える方式。
  プッシュプル回路として大出力の低周波電力増幅器や送信機の変調器。
• C級増幅器
  送信機の高周波電力増幅器や周波数逓倍倍器。

増幅で発生するひずみ

• 増幅ひずみ
  • バイアス不適当
  • 励振電圧が大きすぎる
  • 入出力特性が直線でない
• 周波数ひずみ
• 位相ひずみ
• ひずみ率Kの求め方は?

固定バイアス回路

• 一つの電源Eccを、コレクタ電源とベースに加えるバイアス電源に共用
• Rb = Ecc / Ib
• 回路が簡単、電源電圧の変動による影響が比較的ない、むだな消費電力が少ない
• 熱暴走、温度変化とともにベース電流が変動してひずみを生じる
• その他の回路-自己バイアス回路、電流帰還バイアス回路

結合用変成器

• n1 : n2 = sqrt(Z1) : sqrt(Z2)

負帰還増幅回路

• 増幅器の出力の一部を帰還回路を通して入力側に戻し、増幅器の特性を変える
• 入力電圧/電流の位相と逆相の電圧/電流を加える
• 同位相で帰還を行うことを正帰還という
• 低周波増幅器に負帰還をかけたときの利点
  • 周波数特性が改善される
  • 雑音が抑制される
  • ひずみが軽減される
  • 利得が安定する
  • 入力および出力インピーダンスを変化させることができる
• 増幅度(利得)は減少する
• 出力側から信号を取り出す場合
  • 直列帰還方式-電流帰還
  • 並列帰還方式-電圧帰還
• 入力側に帰還する場合
  • 直列注入方式
  • 並列注入方式
• インピーダンス変換

  	直列帰還方式		並列帰還方式
  	直列注入	並列注入	直列注入	並列注入
  入力インピーダンス	増加	減少	増加	減少
  出力インピーダンス	増加	増加	減少	減少

LC発振回路

• 代表例
  • ハートレー発振回路
    発振周波数は、出力回路のL(L1とL2の和)とCの並列回路の同調周波数になる。
  • コルピッツ発振回路
    発振周波数は、出力回路のLとC(C1とC2の和)の並列回路の同調周波数になる。
  • コレクタ同調発振回路
• それぞれの発振周波数は? 回路原理図は?
• 発振周波数変動の原因
  • 温度の変化による回路定数の変動-水晶発振子を恒温漕に入れる。
  • 負荷の変動-発信器と負荷との結合をできるだけ疎にするため、負荷との間に緩衝増幅器を設ける。
  • 電源電圧の変動-電源に定電圧回路を用いる。
  • 振動による回路定数の変動-機械的振動の影響を軽減する。
• 異常現象
  • 引込現象
  • チェーン現象
  • 発振器の寄生振動

水晶発振回路

• 水晶振動子
  水晶の結晶体から切り出した水晶辺(水晶板)の両面に電極を付けて電子部品としたもの。
  • L0、R0、C0の直列共振周波数Fs
  • Cを含めた並列共振周波数Fp
  • FsとFpは非常に接近している
  • 固有(振動)周波数はFsとFpの間にあり、リアクタンスは誘導性になる
• 電気的等価回路は?
• 発振したときの等価回路は?
• 発振条件

  発振条件	X1 (B-E間リアクタンス)	X2 (B-C間リアクタンス)	X3 (E-C間リアクタンス)	水晶振動子の位置	備考
  発振条件1	誘導性	容量性	誘導性	X1を水晶振動子に置き換える	ハートレー発振回路の条件 ピアースBE水晶発振回路
  発振条件2	容量性	誘導性	容量性	X2を水晶振動子に置き換える	コルビッツ発振回路の条件 ピアースBC水晶発振回路

• 代表例
  • 無調整発振回路
  • ピアースBC水晶発振回路
  • ピアースBE水晶発振回路
• 同調周波数と発信周波数の関係

  	水晶発振子	同調回路	同調周波数と発信周波数の関係
  ピアースBC水晶発振回路	誘導性	容量性	同調周波数は発信周波数より低くする
  ピアースBE水晶発振回路	誘導性	誘導性	同調周波数は発信周波数より高くする

変調回路

• 搬送波となる高周波電流を信号波によって変形する
• 変調の種類
  • 振幅変調(AM)
  • 周波数変調(FM)
  • 位相変調(PM)
• コレクタ変調
  • 調整が比較的簡単である
  • ひずみの少ない深い変調(Mが100に近い)をかけることができる
  • 被変調器はC級増幅、変調器はB級プッシュプル増幅であるから総合効率がよい
  • 十分な電力に耐えて、特性のよい変調用変性器が必要であるが、大電力の送信機ではこの制作が難しい
• ベース変調
  • 変調に要する電力が少なくて済む。従って、小電力の変調器で変調を行える
  • 変成用変成器も小型で済み、特性のよいものを容易に作ることができる
  • 広い周波数帯の変調を行うことができる
  • 変成用変成器を使用しないで、変成器として使用するトランジスタのコレクタと、被変成器として 使用するトランジスタのベースを直接接続し、両者の動作電圧を適当に選定すると、直流分で変調を かけることができる
  • 被変調のベースに加える高周波励振電圧、変調電圧および、ベースバイアス電源電圧の三者の間の 関係を適当に調整することが難しい
  • 変調をかけないとき、コレクタ出力電圧の大きさを100の変調をかけたときの1/2にしておく 必要上、被変成器として使用するトランジスタのコレクタ効率が低い
• 搬送波除去変調
  • 平衡変調
    搬送波に対して入力側は並列、出力側はプッシュプル接続、また、信号波に対して 入力、出力ともプッシュプル接続として動作する。
  • リング変調
    出力端子には、周波数fcの搬送波と信号波fsは抑圧(または除去)されて現れない。
    • 小形であり、物理的に丈夫である
    • 電源が不要である。従って、電源電圧の変動の影響を受けない
    • 変調に要する電力が少なくて済む
    • 可逆作用があり、復調器としても使用できる
    • 増幅作用がないため出力は小さい
    • 半導体ダイオードが周囲温度の変化により、その特性が変動する
• 直接周波数変調と間接周波数変調
• 変調率 - M = (A - B) / (A + B)

復調回路(検波回路)

• 信号波によって変調された被変調波から、もとの信号波成分を取り出す
• 直線検波と二乗検波
• 包絡線検波回路と平均値検波回路
  • 包絡線検波回路は、平均値検波回路の出力に比較して大きく(検波感度が良い)、CとRの値 またはいずれかの値が大きいとひずみが発生する。
  • 平均値検波回路は、包絡線検波回路の出力の1/3で(検波感度が悪い)、CとRの大小による ひずみは生じない。

論理回路

• AND回路

  入力A	入力B	出力
  0	0	0
  1	0	0
  0	1	0
  0	0	1

• OR回路

  入力A	入力B	出力
  0	0	0
  1	0	1
  0	1	1
  0	0	1

• NOT回路

  入力	出力
  0	1
  1	0

• NAND回路

  入力A	入力B	出力
  0	0	1
  1	0	1
  0	1	1
  0	0	0

• NOR回路

  入力A	入力B	出力
  0	0	1
  0	0	0
  0	1	0
  0	0	0