Transcript 電子回路Ⅰ 第1回(2006/10/16)

電子回路Ⅰ 第10回(2008/1/7)
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
負荷 R L に流れる交流電流の振
幅は
出力電力 PLは
2
I CM
 1 I CM 

R
PL  
 L
8
 2 2 
また I CM 
PL 
I CM
8
V CC
より、
RL
2
RL 
V CC
2
8RL
2
RL
実効値
I CM
2
なので
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 C V CC
ただし I C は I C の平均値を表す
I C  I CQ 
I CM
より
2
I CM
PDC  I C V CC 
2
V CC 
V CC
2 RL
効率  は
V CC
 
PL
PDC

2
8RL
V CC
2
2RL

2
8
2
 25 %
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
直流損失 PRL  I C
2
V
I

R L   CM  R L  CC
4
 2 
2
RL
トランジスタにも電圧 、電流が流れるコレク タ損失
コレクタ損失 PC 
25%
1 I CM
2
2
1 V CC
2
2

V CC
8
2
RL
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
i1
i2
インピーダンス変換も兼ねる
i1 
n2
v1 
n1
n1
n2
i2
v 2 より
n1
Rl 
v1
i1
v1

n2
n2
n1
v2
i2
2
2
 n1  v 2  n1 

 RL
 
 


n
i
n
 2 2
 2
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
IC 
I CM

2

0
sin  td  t 
I C に含まれる基本波（角 周波数  ）の振幅
I C1 
2
2


0
sin  tI CM sin  td  t 
電力効率は
 
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
2
I
RL
I

PL   CM  R L  CM
2
 2 
電源電力
PDC  V CC I C 1  V EE I C 2 

2 I CM

V CC
2
2 I CM
I CM R L 

2 I CM R L

電力効率は
2
I CM R L
 
PL
PDC

2
2
2 I CM R L



4
 78 . 5 %
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
 



i c  I CM  cos  t  cos  ：　  t 
2
2
2

IC 

1
2

2
i c d  t  
0
I CM
2

2
0
 

 cos  t  cos  d  t 
2

I CM 
 
 
 cos 
 sin
 
2 2
2
基本波の振幅
I C1 

2
2

2 I CM

2
i c cos  td  t 
0


2
0
I CM
 

  sin 
 cos  t  cos  cos  td  t  
2
2


C級電力増幅回路（効率）
直流電流
IC 
I CM 
 
 
 cos 
 sin
 
2 2
2
基本波電流
I C1 
I CM
2

 sin 

直流入力
PDC  V CC I C 
V CC I CM 
 
 
sin

cos



2 2
2

基本波出力
PL 
V CC I C 1
2

V CC I CM
2
4

 sin 
が小さいほど効率は良くなるが、
効率は
 
PL
PDC

1
4
sin
  sin 
 


2

cos
2
2
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