増幅器の諸特性と応用電子回路の知識

📈 増幅器の諸特性と基本パラメータ

増幅器が「信号をどれくらい大きくしたか」を表す倍率のことを、利得（ゲイン）という。単位はデシベル（ $ \mathrm{[dB]} $ ）

• 電圧利得：増幅器を通った電圧（出力電圧）が何倍になったか。$ G_v = 20 \ \log_{10} \left( \frac{V_{out}}{V_{in}} \right) \ \mathrm{[dB]} $
• 電力利得：増幅器を通った電力（出力電力）が何倍になったか。$ G_p = 10 \ \log_{10} \left( \frac{P_{out}}{P_{in}} \right) \ \mathrm{[dB]} $

🌊 周波数特性と遮断周波数

増幅器はどんな速さの信号でも完璧に大きくできるわけではない。

• 周波数帯域（バンド幅）：増幅器が形を崩さずに（安定して）増幅できる信号の速さ（周波数）の範囲
• 遮断周波数（カットオフ周波数）：性能の限界点。この周波数になると、増幅倍率が基準より $3 \ \mathrm{dB}$ 低下 してしまう。
• 遮断時の変化：遮断時の変化：このラインを超えると、出力電力は最大時の $1/2$、出力電圧は最大時の約 $70.7 \%$ ($1/\sqrt{2}$) に減衰してしまう。

⚖️ ダイナミックレンジとSN比

増幅器がどれだけ正確に信号を扱えるかを示す指標

• ダイナミックレンジ：増幅器が「正しく扱える信号の幅」（小さすぎて埋もれてしまう最小の信号から、大きすぎて歪んでしまう最大の信号までの「範囲」）
• SN比（信号対雑音比）：増幅器に入ってくる有効信号電力（$ \mathrm{S} $）と、どうしても混じってしまう雑音電力（$ \mathrm{N} $）の比率。
  $$SN比 = 10 \log_{10} \left( \frac{S}{N} \right) \ \mathrm{[dB]}$$
  この数値が高いほど、雑音が少なくクリアな信号を増幅できている

🎛️ 演算増幅器（オペアンプ）の基本特性

「演算（計算）」するための「増幅器」
入力された電圧を元に足し算・引き算・増幅などが自由自在にできる。

🔗 オペアンプ基本回路構成

「理想的なオペアンプ」に電気抵抗を接続することで、信号を自在に操るための基本回路
※以下、$R_i$ は入力側に繋ぐ抵抗、$R_f$ は出力から入力へ戻す（帰還）抵抗

• 反転増幅器：入力信号の正負を反転させ指定した倍率で増幅する回路
  • 増幅度（$A$）：$ A = - \frac{R_f}{R_i} $
  • 特徴：出力される電圧の向きが入力と逆
• 非反転増幅器：入力信号の位相を保ったまま指定した倍率で増幅する回路
  • 増幅度（$A$）：$ A = 1 + \frac{R_f}{R_i} $
  • 特徴：入力した信号と出力の向きが同じ
• 電圧ホロワ（バッファ）：入力した電圧を、そのまま（倍率$1$で）出力する回路。
  • 増幅度（$A$）：$ A = 1 $
  • 信号の強さ（電流を流す力）だけを補い、信号が弱まらないようにする「守り役」

🛠️ 応用電子回路による信号処理

「理想的なオペアンプ」に電気抵抗とコンデンサを組み合わせることで、信号の変化を捉えたり、波形を整えたりする回路。

• 微分回路：入力信号の「急激な変化」だけを抽出する回路
  役割：信号が勢いよく変わった瞬間だけ、その変化量を出力する
• 積分回路：入力信号の「変化を平滑化（ならす）」する回路
  役割：細かく変化する信号を、時間をかけて溜め込み、なだらかな波形にする
• リミッタ回路：役割：ダイオードの導通特性を利用し、指定した一定の電圧以上の信号をカットして振幅を制限する。
• 整流・平滑回路：役割：ダイオードで交流を直流（脈流）にし、コンデンサの充放電特性で脈動（リップル）を抑え、平滑な直流電圧を得る。
• コッククロフト・ウォルトン回路：役割：コンデンサとダイオードの多段接続により、変圧器の電圧を整数倍に昇圧する回路。段数を $N$ とすると、最大 $2N$ 倍の電圧が得られる。

🔄 AD変換とDA変換（信号相互変換）

• AD変換（アナログ・デジタル変換）：アナログ信号を、コンピュータが理解できる離散的な数値（$0$と$1$の並び）に変換する。
• DA変換（デジタル・アナログ変換）：コンピュータの数値を、再び現実世界で使える滑らかなアナログ電圧に変換する。