🛡️ 増幅器の諸特性と応用電子回路 のまとめ
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増幅器の計算ルール 💥
- 利得の直列接続：直列接続された増幅器全体の利得（$ \mathrm{[dB]} $）は、各増幅器の利得の合計。
- 電圧利得の計算：$ 100 $倍の増幅率における、$ G_v = 20 \ \log_{10}(100) = 40 \ \mathrm{dB} $への換算。
オペアンプの公式 💡
電子回路の機能と特性 💥
- リミッタ回路：ダイオードを用いた、信号振幅の一定制限特性。
- 整流・平滑回路：ダイオードとコンデンサの併用による、脈流（リップル）低減および平滑な直流出力の確保。
- コッククロフト・ウォルトン回路：昇圧段数（コンデンサ段数）に応じた、変圧器二次側最大電圧の整数倍（段数 $ N $ に対して $ 2N $ 倍）への昇圧。
- パルス電流の平均値：平均電流 $ I_{avg} = I_p \times t_{on} \times f $ （ $ I_p $ ：パルス高、 $ t_{on} $ ：パルス幅、$ f $ ：パルス繰り返し周波数）による導出。
- 二重積分型A/D変換器：基準積分動作時における、キャリー（オーバーフロー）発生に伴うカウンタ制御（リセット動作等）。
※以下の国家試験問題・選択肢は学習支援を目的として引用しています。問題文および選択肢の著作権は厚生労働省に帰属します。解説・補足・分野分類・関連知識の整理は当サイトが独自に作成しています。
1.増幅器の諸特性 (1問)
$\frac{V_o}{V_i} = \frac{200\,\mathrm{mV}}{0.2\,\mathrm{mV}} = 1000 \text{倍}$
全体の利得は $20 \log_{10}(1000) = 20 \times 3 = 60\,\mathrm{[dB]}$
合計利得（$60\,\mathrm{dB}$）＝ 増幅器1（$20\,\mathrm{dB}$）＋ 増幅器2（利得）
増幅器2の利得 ＝ $60\,\mathrm{dB} - 20\,\mathrm{dB} = 40\,\mathrm{dB}$
2.オペアンプ (6問)
増幅度の公式：$A = 1 + \frac{R_f}{R_i}$
出力電圧の式：$V_{out} = A \times V_{in} = V_{in} \left( 1 + \frac{R_f}{R_i} \right)$
各入力端子には $6\,\mathrm{V}, 3\,\mathrm{V}, 1\,\mathrm{V}$ が加わっており、抵抗はすべて $1\,\mathrm{k\Omega}$
$I_1 = 6\,\mathrm{V} / 1\,\mathrm{k\Omega} = 6\,\mathrm{mA}$
$I_2 = 3\,\mathrm{V} / 1\,\mathrm{k\Omega} = 3\,\mathrm{mA}$
$I_3 = 1\,\mathrm{V} / 1\,\mathrm{k\Omega} = 1\,\mathrm{mA}$
合流した電流 ($I_f$) を求める
オペアンプの入力端子には電流が流れないため、これら全ての電流が合流して帰還抵抗 $R_f$ に流れる
$I_f = I_1 + I_2 + I_3 = 6 + 3 + 1 = 10\,\mathrm{mA}$
オームの法則で $R_f$ を求める
$V_{out} = - (I_f \times R_f)$
$-10\,\mathrm{V} = -(10\,\mathrm{mA} \times R_f)$
$R_f = 10\,\mathrm{V} / 10\,\mathrm{mA} = 1\,\mathrm{k\Omega}$
$v_o(t) = -\frac{1}{RC} \int_0^t v_i \, dt$
入力電圧 $v_i = 20\text{ mV} = 20 \times 10^{-3}\text{ V}
$抵抗 $R = 10\text{ k}\Omega = 10 \times 10^3\text{ }\Omega$
コンデンサ $C = 2\text{ }\mu\text{F} = 2 \times 10^{-6}\text{ F}$
時間 $t = 3\text{ s}$
$\frac{1}{RC} = \frac{1}{(10 \times 10^3) \times (2 \times 10^{-6})} = \frac{1}{20 \times 10^{-3}} = \frac{1}{0.02} = 50$
次に、積分を実行
$v_o(3) = -50 \times \int_0^3 (20 \times 10^{-3}) \, dt$
$v_o(3) = -3.0\text{ V}$
公式：$G_v = 20 \log_{10} A$
$20\,\mathrm{dB} = 20 \log_{10} A$$1 = \log_{10} A$$A = 10^1 = 10$ （倍率：$10$倍）
反転増幅器の増幅度 $A = R_f / R_i$
図では、$R_i = 5\,\mathrm{k\Omega}$、$R_f = R$
$A = \frac{R}{5\,\mathrm{k\Omega}} = 10$
$R = 10 \times 5\,\mathrm{k\Omega} = 50\,\mathrm{k\Omega}$
$V_2$ 側の電流 $I_2 = \frac{V_2}{R_2} = \frac{3\,\mathrm{V}}{3\,\mathrm{\Omega}} = 1.0\,\mathrm{A}$
帰還抵抗 $R_3$ を流れる電流 ($I_3$) を求める
$I_3 = I_1 + I_2 = 2.5\,\mathrm{A} + 1.0\,\mathrm{A} = 3.5\,\mathrm{A}$
反転増幅器の原理より、$V_O = - (I_3 \times R_3)$
$V_O = - (3.5\,\mathrm{A} \times 6\,\mathrm{\Omega}) = -21\,\mathrm{V}$
$A = 1 + \frac{R_f}{R_i}$
帰還抵抗 $R_f = 4 \,\mathrm{k\Omega} = 4000 \,\mathrm{\Omega}$入力抵抗（接地側の抵抗） $R_i = 100 \,\mathrm{\Omega}$
$A = 1 + \frac{4000 \,\mathrm{\Omega}}{100 \,\mathrm{\Omega}}$
$A = 1 + 40 = 41$
3.信号処理 (5問)
微分回路は信号が変わった瞬間を出力する
$I_{\text{avg}} = I_p \times t_{\text{on}} \times f$
平均値 $I_{\text{avg}} = 2 \text{ mA}$パルス高 $I_p = 5 \text{ mA}$パルス幅 $t_{\text{on}} = 20 \text{ ms} = 0.02 \text{ s}$
$2 \text{ mA} = 5 \text{ mA} \times 0.02 \text{ s} \times f$
$f = \frac{2}{0.1} = 20 \text{ Hz}$
1. 逐次比較型の説明
2. 複数のコンパレータを並列に並べるのは並列比較型
3. 二重積分型は精度は高いですが、変換速度が遅いため高速信号には適しません。
4.スタートパルス時には積分器をクリアするためにスイッチ $S_2$ がオンになります。