Transcript 第11回

電子回路Ⅰ 第11回(2009/1/19)
電力増幅
今日の内容
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電力増幅の用途
トランジスタの大振幅動作
A級電力増幅回路
B級電力増幅回路
B級プッシュプル電力増幅回路
C級電力増幅回路
これまでの増幅回路の用途
•小信号を増幅
アンテナで検出した信号の増幅
微弱な測定信号の増幅
差動増幅
•広い帯域幅での増幅
低域しゃ断周波数、広域しゃ断周波数
•発振回路
•演算増幅
電力増幅の用途
•電気信号を他の物理量に変換する
スピーカー、モーター、ディスプレイ
ボイスコイル（数～数十Ω）に電流を流す
•電波としてアンテナで送信
ラジオ、テレビ、無線
特定の周波数（搬送波）に信号を載せて送信
トランジスタの大振幅動作
小信号と違う点
電圧、電流ともに大きな振幅となるので、
動作点からかなりはずれたIc,VCEもとる
トランジスタ／FETは非線形素子なので、
hfeなどの動作量が振幅に依存する
これまで行ってきた動作量が振幅に依存
しないという仮定の線形計算は適用でき
ない
Q
大振幅動作における注意 最大許容
最大許容コレクタ電流
ICmax
コレクタ損失
PCmax=IV
最大許容
コレクタ電圧
VCmax
パワートランジスタの特性
（2SA1129） その１
パワートランジスタの特性
（2SA1129） その２
A級電力増幅回路
動作点が A と B
の中央
A級電力増幅回路の出力
幅は
負荷RLに流れる交流電流の振
出力電力PLは
2
I CM 2
 1 I CM 
RL
PL  
 RL 
8
 2 2 
VCC
より、 実効値
またI CM 
RL
VCC 2
I CM 2
RL 
PL 
8RL
8
I CM
なので
2
A級電力増幅回路の効率
回路に供給する直流電
力PDCは
PDC  I CVCC
ただし
I CはI Cの平均値を表す
I
IC  I CQ  CM より
2
I CM
VCC 2
PDC  I CVCC 
VCC 
2
2RL
効率は
VCC 2
PL
8RL 2


  25%
2
PDC VCC
8
2RL
A級電力増幅回路の損失
効率は25%、残りはどこで消える？
50%
常に直流電流が流れる
2
VCC 2
 I CM 
直流損失
PRL  I C RL  
RL
 RL 
4
 2 
2
トランジスタにも電圧
、電流が流れるコレク
タ損失
1 ICM 1 VCC VCC 2
コレクタ損失
PC 

RL
8
2 2 2 2
25%
負荷に直流電流を流さない
A級電力増幅回路（その１）
スピーカーに直流電流が流れる
と、コイルが焼き切れる
IC1の直流電流分ICQと等しい
電流IC2をQ2に流すと、負荷RL
には交流電流しか流れない
でも効率は25%
カレントミラー回路
負荷に直流電流を流さない
A級電力増幅回路（その２）
変成器（トランス）で交流だけを
伝える
インピーダンス変換も兼ねる
n2
i1  i2
n1
n1
v1  v2 より
n2
n1
v2
2
2
 n1  v2  n1 
v1 n2
Rl  
  
   RL
n
i1
2
i2  n2  i2  n2 
n1
i1
i2
v1
v2
B級電力増幅回路（動作点）
Q
VCE,ICの値は無視してください
•動作点をVCC（カットオフ点）に設定
•共振回路による波形整形が必要
B級電力増幅回路（波形と効率）
コレクタ電流の平均値
ICM 
IC 
sin td t  

0
2
I Cに含まれる基本波（角
周波数）の振幅
2 
I C1 
sin tICM sin td t  

0
2
電力効率は
IC12 RL


I CVCC
B級電力増幅回路（波形と効率）
コレクタ電流の平均値
I CM 
I CM
I CM


IC 
sin

td

t

2

2 0
2

ICに含まれる基本波（角
周波数）の振幅
ICM  2
2 
IC1 
sin tICM sin td t  
sin td t 


0
0
2

I  I
 CM  CM
 2
2
電力効率は
2
 I CM 

 RL
I C12 RL

2


 
  78.5%
4
I CVCC  ICM I R

 CM L
  
VCC  ICM RLより
B級プッシュプル電力増幅回路
（回路）
npn
入力信号の正と負を
それぞれのトランジス
タで増幅して合成
pnp
負荷に直流電流が
流れない
B級プッシュプル電力増幅回路
（動作点）
2つのトランジスタのVCE-IC特性を加えた形
VCC=VEEにしないと
上下で出力の振幅
が揃わない
B級プッシュプル電力増幅回路
（効率）
出力電力
2
I R
I 
PL   CM  RL  CM L
2
 2
電源電力
2I
PDC  VCC I C1  VEE I C 2  CM VCC
2


2I CM

I CM RL 
2I CM 2 RL

電力効率は
I CM 2 RL
P

2
 L 

 78.5%
PDC 2I CM 2 RL 4

B級プッシュプル電力増幅回路
（問題点）
VBEにある程度の電圧を印加しない
とコレクタ電流が流れない
バイアスをかけてA級に近づける
(AB級）
Single Ended Push-Pull(SEPP)
C級電力増幅回路
B級よりも深くバイアスをかけると
電流が流れない




ic  I CM  cost  cos 　：　  t 
2
2
2

I CM 2 
1 2



IC 
i
d

t

cos

t

cos

d t 
2 0 c
2 0 
2
I   

 CM  sin  cos 
  2 2
2
基本波の振幅
2 2
IC1 
i costd t 
2 0 c
2I CM 2 
I CM



  sin  

cos

t

cos
cos

td

t



 0 
2
2
C級電力増幅回路（効率）
直流電流
I   

I C  CM  sin  cos 
  2 2
2
基本波電流
I
I C1  CM   sin  
2
直流入力
V I   

PDC  VCC I C  CC CM  sin  cos 
  2 2
2
基本波出力
V I
V I
PL  CC C1  CC CM   sin  
4
2 2
効率は
P
1   sin 
 L 
PDC 4 sin    cos 
2 2
2
が小さいほど効率は良くなるが、
出力が減少する
C級電力増幅回路（用途）
波形が著しく歪むので、多くの高
調波を含む
共振回路が必要（周波数は固定）
無線送信用
PWM(Pulse Width Modulation)
周波数にこだわらず、電力増幅をしたいとき（ヒーター、モーター）
入力
元の信号
基準信号
一定の位相（振幅）範囲のみで出力（増幅）
パルス幅を変調して平均出力を制御
出力