一般に、増幅器は、コンポーネントの指定された定格に従って、適用された低電力入力信号を高電力出力信号にブーストするように設計された回路として定義できます。

基本的な機能は同じですが、アンプはその設計と構成に応じてさまざまなカテゴリに分類できます。

論理入力を増幅するための回路

次のような入力センシングデバイスからの低信号ロジックを動作および増幅するように構成されたシングルトランジスタアンプに出くわしたことがあるかもしれません。 LDR、フォトダイオード、IRデバイス。これらのアンプからの出力は、スイッチングに使用されます。フリップ・フロップまたはセンサーデバイスからの信号に応答してリレーのオン/オフ。

また、音楽やオーディオの入力を事前に増幅したり、LEDランプを操作したりするために使用される小さなアンプを見たことがあるかもしれません。
これらすべて小さなアンプ小信号増幅器として分類されます。

アンプの種類

主に、供給された小さな音楽入力が通常100倍から1000倍の倍数に増幅され、スピーカーで再生されるように、音楽周波数を増幅するための増幅器回路が組み込まれています。

そのような回路は、ワット数または電力定格に応じて、小型オペアンプベースの小信号増幅器から、電力増幅器とも呼ばれる大信号増幅器までの範囲の設計を持つ場合があります。これらの増幅器は、動作原理、回路ステージ、およびそれらは、増幅機能を処理するように構成することができる。

次の表に、技術仕様と動作原理に基づいたアンプの分類の詳細を示します。

基本的な増幅器の設計では、ほとんどの場合、バイポーラトランジスタまたはBJT、電界効果トランジスタ（FET）、またはオペアンプのネットワークを持ついくつかのステージが含まれていることがわかります。

そのような増幅器ブロックまたはモジュールは、入力信号を供給するための２つの端子と、接続されたスピーカーを介して増幅された信号を取得するための出力における別の一対の端子を有することが見られた。

これら2つの端子のうちの1つは接地端子であり、入力段と出力段を横切る共通線と見なすことができます。

アンプの3つの特性

理想的なアンプが持つべき3つの重要な特性は次のとおりです。

入力抵抗（凛）
出力抵抗（ルート）
アンプの増幅範囲であるゲイン（A）。

動作する理想的なアンプを理解する

出力と入力の間の増幅された信号の差は、増幅器のゲインと呼ばれます。これは、アンプが出力端子間で入力信号を増幅できる大きさまたは量です。

たとえば、増幅器が1ボルトの入力信号を50ボルトの増幅信号に処理するように定格されている場合、増幅器のゲインは50であると言えますが、それはそれと同じくらい簡単です。
低入力信号から高出力信号へのこの強化は、利得アンプの。あるいは、これは、入力信号の50倍の増加として理解することができます。

ゲイン比 したがって、増幅器のゲインは、基本的に信号レベルの出力値と入力値の比率、または単に出力電力を入力電力で割ったものであり、増幅器の増幅電力も表す文字「A」に起因します。

アンプゲインの種類 さまざまなタイプのアンプゲインは、次のように分類できます。

電圧利得（オフ）
電流ゲイン（Ai）
パワーゲイン（Ap）

増幅器のゲインを計算するための式の例 上記の3種類のゲインに応じて、これらを計算するための式は、次の例から学ぶことができます。

電圧ゲイン（Av）=出力電圧/入力電圧= Vout / Vin
電流ゲイン（Ai）=出力電流/入力電流= Iout / Iin
パワーゲイン（Ap）= Av.x.A 私

パワーゲインの計算には、次の式を使用することもできます。
電力利得（Ap）=出力電力/入力電力= Aout / Ain

下付き文字に注意することが重要です p、v、i 電力の計算に使用されるのは、作業中の特定のタイプの信号ゲインを識別するために割り当てられます。

デシベルの表現

増幅器の電力利得を表す別の方法があります。これはデシベルまたは（dB）です。
メジャーまたは数量Bel（B）は、測定単位を持たない対数単位（10進数）です。
ただし、デシベルは実際に使用するには単位が大きすぎる可能性があるため、アンプの計算には低バージョンのデシベル（dB）を使用します。
アンプのゲインをデシベルで測定するために使用できる式は次のとおりです。

dB単位の電圧ゲイン：オフ= 20 *ログ（オフ）
dB単位の電流ゲイン：ai = 20 * log（Ai）
dB単位の電力利得：ap = 10 * log（Ap）

dB測定に関するいくつかの事実
アンプのDC電力ゲインは、出力/入力比の常用対数の10倍であるのに対し、電流と電圧のゲインは、それらの比の常用対数の20倍であることに注意することが重要です。

これは、対数目盛が含まれているため、対数目盛の非線形測定特性により、20dBのゲインを10dBの2倍と見なすことはできないことを意味します。

ゲインをdBで測定する場合、正の値は増幅器のゲインを示し、負のdB値は増幅器のゲインの損失を示します。

たとえば、+ 3dBのゲインが識別された場合、それは特定のアンプ出力の2倍またはx2のゲインを示します。

逆に、結果が-3dBの場合は、アンプのゲインの損失が50％であるか、ゲインの損失が0.5倍であることを示します。これは、アンプからの可能な最大出力である0dBに対して、達成可能な最大電力よりも-3dB低いことを意味するハーフパワーポイントとも呼ばれます。

アンプの計算

次の仕様で増幅器の電圧、電流、および電力利得を計算します：入力信号= 10mV @ 1mA出力信号= 1V @ 10mAさらに、デシベル（dB）値を使用して増幅器の利得を調べます。

解決：

上で学習した式を適用すると、手元の入出力仕様に従って、アンプに関連するさまざまなタイプのゲインを評価できます。

電圧ゲイン（Av）=出力電圧/入力電圧= Vout / Vin = 1 / 0.01 = 100
電流ゲイン（Ai）=出力電流/入力電流= Iout / Iin = 10/1 = 10
パワーゲイン（Ap）= Av。 x A 私 = 100 x 10 = 1000

デシベルで結果を取得するには、以下に示す対応する式を適用します。

av = 20logAv = 20log100 = 40dB ai = 20logAi = 20log10 = 20dB

ap = 10log Ap = 10log1000 = 30dB

アンプの細分化

小信号増幅器： アンプの電力と電圧のゲイン仕様に関しては、いくつかの異なるカテゴリに細分化することが可能になります。

最初のタイプは小信号増幅器と呼ばれます。これらの小信号増幅器は、一般にプリアンプ段、計装用増幅器などで使用されます。

これらのタイプのアンプは、センサーデバイスや小さなオーディオ信号入力などからのマイクロボルトの範囲内で、入力で微小な信号レベルを処理するために作成されています。

大信号増幅器： 2番目のタイプの増幅器は大信号増幅器と呼ばれ、その名前が示すように、これらは巨大な増幅範囲を達成するためのパワーアンプアプリケーションで使用されます。これらのアンプでは、入力信号の大きさが比較的大きいため、再生して強力なスピーカーに駆動するために大幅に増幅することができます。

パワーアンプのしくみ

小信号増幅器は小入力電圧を処理するように設計されているため、これらは小信号増幅器と呼ばれます。ただし、モーターの操作やサブウーファーの操作など、アンプが出力で高スイッチング電流アプリケーションを処理する必要がある場合、パワーアンプは避けられなくなります。

最も一般的には、パワーアンプは、大型スピーカーを駆動し、巨大な音楽レベルの増幅と音量出力を実現するためのオーディオアンプとして採用されています。

パワーアンプは動作するために外部DC電力を必要とし、このDC電力は出力で意図された高電力増幅を達成するために利用されます。 DC電力は通常、変圧器またはSMPSベースのユニットを介した高電流高電圧電源から供給されます。

“lanとvlanの違い ”

パワーアンプは低い入力信号を高い出力信号にブーストすることができますが、この手順は実際にはあまり効率的ではありません。これは、プロセス中にかなりの量のDC電力が熱放散の形で浪費されるためです。

理想的なアンプは、消費電力とほぼ等しい出力を生成し、100％の効率をもたらすことがわかっています。ただし、実際には、これは非常に遠いように見え、熱の形でパワーデバイスからの固有のDC電力損失のため、実行できない場合があります。

アンプの効率 上記の考慮事項から、アンプの効率は次のように表すことができます。

効率=アンプ出力/アンプDC消費= Pout /ピン

理想的なアンプ

上記の議論を参照して、理想的なアンプの主な特性について概説することができるかもしれません。具体的には以下のとおりです。

理想的なアンプのゲイン（A）は、入力信号の変化に関係なく一定である必要があります。

入力信号の周波数に関係なくゲインは一定に保たれるため、出力増幅は影響を受けません。
アンプの出力には、増幅プロセス中にいかなる種類のノイズも含まれていません。逆に、入力ソースから発生する可能性のあるノイズをキャンセルするノイズリダクション機能が組み込まれています。
周囲温度や気温の変化による影響を受けません。
長時間の使用は、アンプの性能にほとんどまたはまったく影響を与えず、一貫性を保ちます。

電子増幅器の分類

電圧増幅器であろうと電力増幅器であろうと、これらは入力信号と出力信号の特性に基づいて分類されます。これは、入力信号信号に関する電流の流れと、それが出力に到達するのに必要な時間を分析することによって行われます。

回路構成に基づいて、パワーアンプはアルファベット順に分類できます。それらには、次のようなさまざまな運用クラスが割り当てられます。

クラス「A」
クラス「B」
クラス「C」
クラス「AB」など。

これらは、ほぼ線形の出力応答であるが効率が低いものから、効率の高い非線形の出力応答までの範囲の特性を持っている可能性があります。

これらのクラスのアンプはいずれも、要件に応じて独自の特定のアプリケーション領域を持っているため、互いに劣っている、または優れていると区別することはできません。

これらのそれぞれに最適な変換効率を見つけることができ、それらの人気は次の順序で識別できます。

クラス「A」アンプ：効率は通常40％未満ですが、線形信号出力が改善される場合があります。

クラス「B」アンプ：アンプのアクティブデバイスのみが電力を消費し、電力の使用量が50％しかないため、効率はクラスAの2倍、実際には約70％になる可能性があります。

クラス 'AB'アンプ：このカテゴリのアンプの効率レベルはクラスAとクラスBの間のどこかにありますが、信号の再生はクラスAに比べて劣っています。

クラス「C」アンプ：これらは消費電力の点で非常に効率的であると考えられていますが、信号の再生は歪みが多く、最悪であり、入力信号特性の複製が非常に不十分です。

クラスAアンプのしくみ：

クラスAアンプは、アクティブ領域内に理想的にバイアスされたトランジスタを備えているため、入力信号を出力で正確に増幅することができます。

この完全なバイアス機能により、トランジスタがカットオフ領域または飽和領域を超えてドリフトすることは決してありません。その結果、次のように、信号増幅が正しく最適化され、指定された信号の上限と下限の中央に配置されます。画像：

クラスA構成では、同じトランジスタのセットが出力波形の2つの半分に適用されます。また、使用するバイアスの種類に応じて、入力信号が印加されているかどうかに関係なく、出力パワートランジスタは常にスイッチオンの位置になります。

このため、クラスAアンプは、デバイスの消費による過剰な浪費により実際の出力への電力供給が妨げられるため、消費電力の点で非常に効率が低くなります。

上記の状況では、入力信号がない場合でも、クラスアンプは常に過熱出力パワートランジスタを持っていることがわかります。

入力信号がない場合でも、電源からのDC（Ic）はパワートランジスタを流れることができます。これは、入力信号が存在するときにスピーカーを流れる電流と同じである可能性があります。これにより、連続的な「ホット」トランジスタと電力の浪費が発生します。

クラスBアンプの動作

シングルパワートランジスタに依存するクラスA増幅器構成とは対照的に、クラスBは、回路の各ハーフセクションで一対の相補型BJTを使用します。これらは、NPN / PNP、またはNチャネルMOSFET / PチャネルMOSFETの形式である可能性があります。

ここで、一方のトランジスタは入力信号の半分の波形サイクルに応答して導通することができ、もう一方のトランジスタは波形の残りの半サイクルを処理します。

これにより、ペアの各トランジスタがアクティブ領域内で半分の時間、カットオフ領域内で半分の時間導通することが保証されるため、信号の増幅に50％しか関与できません。

クラスAアンプとは異なり、クラスBアンプでは、パワートランジスタは直接DCでバイアスされません。代わりに、入力信号がベースエミッタ電圧（シリコンBJTの場合は約0.6V）よりも高くなる間だけ導通するように構成されています。

これは、入力信号がない場合、BJTはシャットオフされたままであり、出力電流がゼロであることを意味します。また、このため、入力信号の50％のみが出力に入ることができ、これらのアンプの効率が大幅に向上します。結果は次の図で確認できます。

クラスBアンプのパワートランジスタにバイアスをかけるためにDCが直接関与することはないため、各半+/-波形サイクルに応答して導通を開始するには、ベース/エミッタが不可欠になります。 Vbe 0.6V（BJTの標準ベースバイアス値）よりも高い電位を取得する

以上のことから、出力波形が0.6Vを下回っている間は、増幅・再現ができないことを意味します。

これにより、一方のBJTがオフになり、もう一方がオンに戻るのを待つ間だけ、出力波形に歪んだ領域が生じます。

これにより、あるトランジスタから別のトランジスタへの切り替えが相補ペア間で発生したときに、クロスオーバー期間またはゼロ交差に近い遷移期間中に波形の小さなセクションに小さな歪みが発生します。

クラスABアンプの動作

クラスABアンプは、クラスAとクラスBの回路設計のブレンドf特性を使用して構築されているため、クラスABと呼ばれています。

クラスAB設計は1対の相補型BJTでも機能しますが、出力段は、入力信号がない場合に、電力BJTのバイアスがカットオフしきい値の近くで制御されることを保証します。

この状況では、入力信号が検出されるとすぐに、トランジスタはアクティブ領域で正常に動作しなくなるため、クラスB構成で通常一般的なクロスオーバー歪みの可能性が抑制されます。ただし、BJT全体にわずかな量のコレクタ電流が流れる可能性があり、その量はクラスA設計と比較して無視できると見なされる場合があります。

クラスABタイプのアンプは、クラスAのアンプとは対照的に、効率が大幅に向上し、線形応答を示します。

クラスABアンプ出力波形

増幅器クラスは、増幅プロセスを実装するために、入力信号の振幅を介してトランジスタがどのようにバイアスされるかに依存する重要なパラメータです。

これは、トランジスタが導通するために入力信号波形の大きさのどれだけが利用されるか、および出力を提供するために実際に使用される電力量および/または消費によって浪費される電力量によって決定される効率係数にも依存します。

これらの要因に関して、次の表に示すように、さまざまなクラスのアンプ間の違いを示す比較レポートを最終的に作成できます。

次に、次の表で最も一般的なタイプのアンプ分類を比較できます。

パワーアンプクラス

最終的な考え

たとえばクラスAの増幅器の設計のように、増幅器が正しく設計されていない場合、動作用の冷却ファンとともに、パワーデバイスにかなりのヒートシンクが必要になる場合があります。このような設計では、熱で浪費される大量の電力を補償するために、より大きな電源入力も必要になります。そのようなすべての欠点は、そのような増幅器を非常に非効率的にする可能性があり、その結果、デバイスが徐々に劣化し、最終的には故障する可能性があります。

したがって、クラスAアンプの40％ではなく、約70％の高効率で設計されたクラスBアンプを選択することをお勧めします。とは言うものの、クラスAアンプは、その増幅とより広い周波数応答により、より線形な応答を約束する可能性がありますが、これにはかなりの電力浪費が伴います。

前：半導体の基礎を学ぶ次へ：2つの単純な双方向モーターコントローラー回路の調査