増幅器の入出力結合技術：容量結合、直接結合、トランス結合

概要

増幅器設計では、AC信号源に直列に電池を挿入せずに必要なDCバイアスを供給することが課題となります。一般的な解決策は、DC電源に跨った電圧分割器を用い、AC入力をコンデンサで分割器に結合してハイパスフィルタを形成することです。この手法はトランジスタのバイアス電圧を維持しつつAC信号を通過させますが、理解しておくべきいくつかのトレードオフをもたらします。

容量結合

容量結合はシンプルなオーディオおよび信号処理回路で最も広く用いられる手法です。しかし、2つの主要な制限があります：

DC遮断： 入力の定常DC電圧が遮断されるため、増幅器はAC信号のみ処理可能。
周波数依存利得： コンデンサのリアクタンスは周波数とともに低下するため、低周波成分が高周波より減衰します。この歪みは矩形波など非正弦波で特に顕著です。

例えば、低周波矩形波を結合コンデンサに通すと大きく歪みます（添付図参照）。オシロスコープ測定でも「AC結合」設定時に同じ効果が観測され、「DC結合」に切り替えると真の波形形状が復元されます。

直接結合

直接結合は抵抗素子のみでトランジスタをバイアスし、周波数依存性を排除します。回路はシンプル：電圧分割器がベースバイアスを供給し、入力信号を直接ベースに印加します。コンデンサがないため、ACとDCの両成分が等しく増幅されます。

直接結合は、入力信号に制御不能なDCオフセットが含まれてバイアスを乱す可能性がある場合や、減衰なしで最大電圧利得が必要な場合に最適です。しかし、マルチステージでカスケード接続すると、第1段のバイアス変動が連鎖全体に伝播するため敏感になることがあります。

出力結合

多くの増幅器設計では、出力がスピーカーなどの負荷を駆動する必要があり、これには純粋なAC電圧が要求されます。負荷をDCバイアスから分離する主な2つの戦略は：

トランス結合: コレクタとスピーカー間にトランスを挿入し、コレクタ電流のAC変動のみを伝達。二次巻線がスピーカーに真の交流電圧を供給します。トランスはインピーダンスマッチングも提供しますが、大型で広帯域オーディオ信号への設計が難しく、一次巻線にDCバイアスが流れると飽和し出力スイングを制限する可能性があります。
コンデンサ結合: スピーカーと直列に結合コンデンサを挿入し、DCを遮断しながらACを通過。コンデンサ値は所望信号周波数でリアクタンスが無視できるよう選定し、オーディオ信号の減衰を最小化します。

両手法は段間結合にも使用されます。マルチ段エミッタ共通増幅器では、段間の容量結合が前段のバイアスが次段に影響するのを防ぎ、バイアス安定性を簡素化します。

RF増幅器でのトランス

無線周波数（RF）用途では、段間に小型空芯トランスがよく用いられます。これらの共振回路は不要な高調波を遮断し、クラスC動作による高効率を可能にします。オーディオトランスとは異なり、これらのRFトランスは狭帯域信号向けに設計されており、オーディオ電力トランスで一般的な飽和問題を回避します。

現代のトレンド：集積回路

集積回路（IC）の普及により、設計者は大型トランスや大きな結合コンデンサに代わり、直接結合とトランジスタネットワークをますます採用しています。ICラジオでは、古典的な4トランジスタRegency TR1が、バイアスとインピーダンスマッチングを内部に統合したコンパクトなトランジスタベースのアーキテクチャに置き換えられています。

プッシュプル増幅器

トランス結合プッシュプル増幅器は、相補的NPN/PNP対を用いてセンタータップトランスからスピーカーを駆動します。現代設計ではトランスを相補トランジスタ対で置き換え、トランスのサイズとコストを排除しながら同等のクラスBまたはAB動作を実現しています。

重要なポイント

容量結合はハイパスフィルタとして働き、低周波利得を低下させDCを遮断。
直接結合は周波数非依存の利得を提供するが、入力信号を減衰させる可能性があり、マルチステージ設計ではバイアスドリフトに敏感。
トランスとコンデンサは出力結合に有効で、負荷からDCを除去。
段間容量結合はマルチステージ増幅器のバイアスを安定化。