多段増幅器

2段カスケード増幅器の簡略図

多段増幅器は、2つ以上の単段増幅器を接続して構成される電子増幅器です。ここでいう単段増幅器とは、1つのトランジスタ（場合によっては2つのトランジスタ）またはその他の能動素子のみを含む増幅器を指します。多段増幅器を使用する最も一般的な理由は、入力信号が非常に小さいアプリケーション、例えば無線受信機において、増幅器のゲインを高めることです。このようなアプリケーションでは、単段増幅器だけではゲインが不十分です。設計によっては、入力抵抗や出力抵抗などの他のパラメータをより望ましい値に調整することが可能です。

接続スキーム

最も単純かつ一般的な接続方式は、同一または類似のステージをカスケード接続してカスケード アンプを形成することです。^{[ 1 ]} カスケード接続では、1 つのステージの出力ポートが次のステージの入力ポートに接続されます。通常、個々のステージは、共通エミッタ構成のバイポーラ接合トランジスタ(BJT)または共通ソース構成の電界効果トランジスタ(FET)です。共通ベース構成が好まれるアプリケーションもあります。共通ベースは電圧ゲインは高いですが、電流ゲインはありません。入力抵抗が低いため共通エミッタよりもアンテナにマッチングさせやすいため、UHFテレビやラジオの受信機で使用されています。差動入力があり、差動信号を出力する必要があるアンプでは、ステージはロングテール ペアなどの差動アンプでなければなりません。これらのステージには、差動信号を処理する 2 つのトランジスタが含まれます。

より複雑な方式では、異なる構成の異なるステージを使用することで、ゲイン、入力抵抗、出力抵抗など、いくつかの異なるパラメータにおいて単一ステージの特性を超えるアンプを作成できます。^{[ 2 ]} 最終ステージは共通コレクタ構成にしてバッファアンプとして動作させることができます。共通コレクタステージは電圧ゲインはありませんが、電流ゲインが高く出力抵抗が低いです。そのため、負荷はアンプの性能に影響を与えることなく大きな電流を引き出すことができます。カスコード接続（共通エミッタステージの後に共通ベースステージが続く）が使用されることもあります。 オーディオパワーアンプでは、最終ステージとして プッシュプル出力が一般的に使用されます。

ダーリントン接続のトランジスタは、高い電流利得を得るためのもう一つの方法です。この接続では、最初のトランジスタのエミッタが2番目のトランジスタのベースに供給され、両方のコレクタが共通化されます。コレクタ共通段とは異なり、ダーリントン接続のトランジスタは電流利得だけでなく電圧利得も得ることができます。ダーリントン接続のトランジスタは通常、2つの独立した段ではなく、1つの段として扱われます。接続方法は単一のトランジスタと同じで、多くの場合、1つのデバイスとしてパッケージ化されます。

アンプ全体に負帰還をかけることも可能です。これにより電圧ゲインは低下しますが、入力抵抗の増加、出力抵抗の減少、帯域幅の拡大といったいくつかの望ましい効果が得られます。

全体的な利益

カスケード接続された段のゲイン計算を複雑にするのは、負荷による段間の非理想的な結合です。図では、2つの共通エミッタ段がカスケード接続されています。2段目の入力抵抗は1段目の出力抵抗と分圧器を形成するため、全体のゲインは個々の（分離された）段の積にはなりません。

多段増幅器の全体的なゲインは、個々の段のゲインの積です（潜在的な負荷効果は無視します）。

ゲイン (A) = A ₁ * A ₂ *A ₃ *A ₄ *... *A _n。

あるいは、各増幅段のゲインがデシベル（dB）で表されている場合、合計ゲインは個々の段のゲインの 合計になります。

ゲイン（dB）（A）= A ₁ + A ₂ + A ₃ + A ₄ + ... A _n

段間カップリング

増幅段を結合する方法には、いくつかの選択肢があります。直接結合型増幅回路では、その名の通り、増幅段の出力と次の増幅段の入力の間を単純な導体で接続します。これは、計装アンプなど、増幅段がDCで動作する必要がある場合に必要ですが、いくつかの欠点があります。直接接続すると、隣接する増幅段のバイアス回路が相互に作用し合います。これにより設計が複雑になり、増幅段の他のパラメータにも悪影響が出ます。また、DC増幅回路はドリフトの影響を受けやすいため、慎重な調整と高安定性部品が必要となります。

DC増幅が不要な場合は、RC結合が一般的に選択されます。この方式では、コンデンサがステージの出力と入力の間に直列に接続されます。コンデンサはDCを通過させないため、ステージのバイアスが相互作用することはありません。入力がない場合、アンプの出力はゼロからドリフトしません。コンデンサの静電容量（C）とステージの入力抵抗および出力抵抗はRC回路を形成します。これは、大まかなハイパスフィルタとして機能します。コンデンサの値は、このフィルタが対象となる最低周波数を通過させるのに十分な大きさにする必要があります。オーディオアンプの場合、この値は比較的大きくてもかまいませんが、無線周波数では、アンプ全体と比較するとコストが重要でない小さな部品です。

トランス結合は、AC結合の代替手段です。RC結合と同様に、ステージ間のDCを分離します。ただし、トランスはコンデンサよりも大きく、はるかに高価なため、あまり使用されません。トランス結合は、同調アンプで真価を発揮します。トランス巻線のインダクタンスは、LC同調回路のインダクタとして機能します。トランスの両側が同調されている場合は、ダブル同調アンプと呼ばれます。 スタッガード同調とは、各ステージを異なる周波数に同調させることで、ゲインを犠牲にして帯域幅を向上させる方法です。

光結合は、段間に光アイソレータを使用することで実現されます。光アイソレータは段間の完全な電気的絶縁を実現できるという利点があり、DC絶縁を実現し、段間の干渉を回避します。光絶縁は、電気安全上の理由から行われる場合もあります。また、平衡から不平衡への変換にも使用できます。

参考文献

1. イノバティア：増幅回路
2. イェーガー、リチャード・C. (2015).マイクロエレクトロニクス回路設計. トラヴィス・N・ブラロック（第5版）. ニューヨーク. ISBN 978-0-07-352960-8. OCLC  893721562 .