フィードバック

アンプの出力信号の一部が入力に接続されていて、アンプがその出力信号の一部を増幅する場合、 フィードバックと呼ばれるものがあります。 。

フィードバックカテゴリ

フィードバックには2つの種類があります： ポジティブ （とも呼ばれます 再生 ） 、および ネガティブ （とも呼ばれます 退行性 ） 。

正のフィードバック

アンプの出力電圧の変化の方向を補強しますが、負のフィードバックは正反対です。

フィードバックのよく知られた例は、誰かがマイクをスピーカーに近づけすぎるパブリックアドレス（「PA」）システムで発生します。オーディオアンプシステムがマイクを検出して増幅しているため、甲高い「泣き声」または「遠吠え」が発生します。ノイズ。具体的には、これはポジティブの例です。 または再生 フィードバック。マイクによって検出された音は増幅され、スピーカーによってより大きな音に変換され、スピーカーによって再び検出されます。 。 。その結果、システムが「飽和」してそれ以上音量が出なくなるまで、音量が着実に増加するノイズが発生します。

PAシステムの「遠吠え」のような厄介な例を考えると、アンプ回路へのフィードバックの可能性は何か疑問に思うかもしれません。正の、または回生的なフィードバックを増幅器回路に導入すると、発振を生成して維持する傾向があり、その周波数は、出力から入力へのフィードバック信号を処理するコンポーネントの値によって決定されます。これは、オシレーターを作成する1つの方法です。 DC電源からACを生成する回路。発振器は非常に便利な回路であるため、フィードバックは私たちにとって明確で実用的なアプリケーションです。

ネガティブフィードバック

一方、負のフィードバックは増幅器に「減衰」効果をもたらします。出力信号の大きさが増加すると、フィードバック信号は増幅器の入力に与える影響を減少させ、出力信号の変化に対抗します。正のフィードバックは増幅器回路を不安定点（振動）に向かって駆動しますが、負のフィードバックは反対方向、つまり安定点に向かって駆動します。

ある程度の負帰還を備えた増幅器回路は、より安定しているだけでなく、入力波形の歪みが少なく、一般に、より広い範囲の周波数を増幅することができます。これらの利点のトレードオフ（がある 負帰還の不利になるのは正しいですか？）ゲインの低下です。増幅器の出力信号の一部が入力に「フィードバック」されて出力の変化に対抗する場合、増幅器の出力を以前と同じ振幅に駆動するには、より大きな入力信号振幅が必要になります。これは、ゲインの低下を構成します。ただし、安定性、歪みの低減、帯域幅の拡大という利点は、多くのアプリケーションでゲインを下げるというトレードオフの価値があります。

下の図から始めて、単純な増幅器回路を調べて、それに負帰還を導入する方法を見てみましょう。

フィードバックのないエミッタ接地アンプ。

ここに示されているアンプ構成は、R1とR2によって形成された抵抗バイアスネットワークを備えたエミッタ接地です。コンデンサはVinputをアンプに結合し、信号ソースにR1 / R2分周器ネットワークによってDC電圧が印加されないようにします。抵抗R3は、電圧利得を制御する目的で使用されます。最大電圧利得のためにそれを省略することもできますが、このようなベース抵抗はエミッタ接地増幅器回路で一般的であるため、この回路図に残しておきます。

すべてのエミッタ接地アンプと同様に、これは反転 増幅された入力信号。言い換えると、正方向の入力電圧により、出力電圧が減少するか、負方向に移動します。その逆も同様です。

オシロスコープの波形を次の図に示します。

エミッタ接地アンプ、フィードバックなし、比較用の基準波形付き。

出力は反転、つまり鏡像で入力信号を再生するため、下の図のトランジスタの出力（コレクタ）ワイヤと入力（ベース）ワイヤを接続すると、負になります。>> フィードバック。

負のフィードバック、コレクターフィードバックは、出力信号を減少させます。

R1、R2、R3、およびRfeedbackの抵抗は、信号混合ネットワークとして一緒に機能するため、トランジスタのベース（グランドに対して）で見られる電圧は、入力電圧とフィードバック電圧の加重平均になります。トランジスタに入る振幅が減少した信号で。したがって、上の図の増幅回路では、電圧ゲインは低下しますが、線形性が向上し（歪みが減少）、帯域幅が増加します。

ただし、コレクタをベースに接続する抵抗は、この増幅回路に負帰還を導入する唯一の方法ではありません。別の方法は、最初は理解するのが難しいですが、下の図では、トランジスタのエミッタ端子と回路のアースの間に抵抗を配置する必要があります。

エミッタフィードバック：回路に負のフィードバックを導入する別の方法。

この新しいフィードバック抵抗は、トランジスタを流れるエミッタ電流に比例して電圧を低下させ、トランジスタのベース-エミッタ接合への入力信号の影響に対抗するように電圧を低下させます。エミッタとベースの接合部を詳しく見て、この新しい抵抗が下の図でどのような違いをもたらすかを見てみましょう。

下の図（a）でエミッタをグランドに接続するフィードバック抵抗がない場合、どのレベルの入力信号（Vinput）でもカップリングコンデンサを通過し、R1 / R2 / R3抵抗ネットワークはベース-エミッタ接合の両端に直接印加されます。トランジスタの入力電圧（VB-E）。つまり、フィードバック抵抗がない場合、VB-EはVinputに等しくなります。したがって、Vinputが100 mV増加すると、VB-Eは100 mV増加します。2つの電圧が等しいため、一方の変化はもう一方の変化と同じです。

次に、下の図（b）のトランジスタのエミッタリードとグランドの間に抵抗（Rfeedback）を挿入した場合の影響を考えてみましょう。

（a）フィードバックなしvs（b）エミッターフィードバック。コレクタの波形はベースに対して反転しています。 （b）では、エミッタ波形はベースと同相（エミッタフォロワ）であり、コレクタと位相がずれています。したがって、エミッタ信号はコレクタ出力信号から差し引かれます。

Rfeedbackの両端で降下した電圧が、VB-EでVinputに等しくなることに注意してください。 Vinput-VB-EループにRfeedbackがあると、VB-EはVinputと等しくなくなります。 Rfeedbackは、エミッタ電流に比例した電圧を降下させることがわかっています。これは、ベース電流によって制御され、ベース電流は、トランジスタのベース-エミッタ接合（VB-E）の両端で降下する電圧によって制御されます。したがって、Vinputが正の方向に増加すると、VB-Eが増加し、ベース電流が増加し、コレクタ（負荷）電流が増加し、エミッタ電流が増加し、Rfeedbackの両端でフィードバック電圧が低下します。ただし、フィードバック抵抗の両端の電圧降下のこの増加は、減算します。 VinputからVB-Eを減らすため、VB-Eの実際の電圧増加はVinputの電圧増加よりも小さくなります。 2つの電圧が ないため、Vinputが100mV増加してもVB-Eが完全に100mV増加することはなくなります。 互いに等しい。

その結果、入力電圧は以前よりもトランジスタを制御できなくなり、アンプの電圧ゲインが低下します。これは、負のフィードバックから予想されたとおりです。

実際のエミッタ接地回路では、負帰還は単なる贅沢ではありません。安定した動作のために必要です。完璧な世界では、負帰還のないエミッタ接地トランジスタアンプを構築して動作させ、トランジスタのベースエミッタ接合にVinputの全振幅を印加することができます。これにより、大きな電圧ゲインが得られます。ただし、残念ながら、「ダイオードの式」で予測されるように、ベース-エミッタ間電圧とベース-エミッタ間電流の関係は温度によって変化します。トランジスタが熱くなると、任意の電流に対してベース-エミッタ接合間の順方向電圧降下が少なくなります。 R1 / R2分圧器ネットワークは、トランジスタのベースを介して正しい静止電流を提供するように設計されているため、これは問題を引き起こします。これにより、トランジスタは、必要なクラスの動作で動作します（この例では、クラスAモードで動作するアンプ）。トランジスタの電圧/電流の関係が温度によって変化すると、目的の動作クラスに必要なDCバイアス電圧の量が変化します。ホットトランジスタは、同じ量のバイアス電圧に対してより多くのバイアス電流を引き込み、それをさらに加熱し、さらに多くのバイアス電流を引き込みます。チェックされていない場合、結果は 熱暴走と呼ばれます。 。

ただし、コレクタ接地アンプ（下図）は熱暴走の影響を受けません。どうしてこれなの？答えは負帰還と関係があります。

コレクタ接地（エミッタフォロワ）アンプ。

コモンコレクタアンプ（上の図）の負荷抵抗は、上の図（b）の最後の回路のRフィードバック抵抗と同じ場所（エミッタとグランドの間）に配置されていることに注意してください。これは、トランジスタのベース-エミッタ接合に印加される電圧は差のみであることを意味します。 VinputとVoutputの間で、非常に低い電圧ゲインが得られます（通常、コレクタ接地アンプの場合は1に近くなります）。このアンプでは熱暴走は不可能です。トランジスタの加熱によりベース電流が増加すると、エミッタ電流も同様に増加し、負荷の両端の電圧が低下し、減算されます。 ベースとエミッタ間で降下する電圧の量を減らすためにVinputから。言い換えれば、負荷抵抗の配置によってもたらされる負のフィードバックは、熱暴走の問題を引き起こします自己修正 。大幅に低減された電圧ゲインと引き換えに、優れた安定性と熱暴走に対する耐性が得られます。

エミッタ接地増幅器のエミッタとグランドの間に「フィードバック」抵抗を追加することにより、増幅器を「理想的な」エミッタ接地のように動作させ、コレクタ接地のように動作させます。フィードバック抵抗値は通常、負荷よりもかなり小さく、負帰還の量を最小限に抑え、電圧ゲインをかなり高く保ちます。

コモンコレクタ回路にはっきりと見られる負帰還のもう1つの利点は、増幅器の電圧利得がトランジスタの特性にあまり依存しないようにする傾向があることです。コレクタ接地増幅器では、トランジスタのβに関係なく、電圧利得は1（1）にほぼ等しいことに注意してください。これは、とりわけ、コレクタ接地増幅器のトランジスタを異なるβを持つトランジスタに置き換えることができ、電圧利得に大きな変化が見られないことを意味します。エミッタ接地回路では、電圧利得はβに大きく依存します。エミッタ接地回路のトランジスタをβの異なるトランジスタに置き換えると、増幅器の電圧利得が大幅に変化します。負帰還を備えたエミッタ接地増幅器では、電圧利得はトランジスタβにある程度依存しますが、以前ほどではなく、トランジスタβの変動にもかかわらず回路をより予測可能にします。

熱暴走を回避するためにエミッタ接地増幅器に負帰還を導入しなければならないという事実は、満足のいく解決策ではありません。アンプの本質的に高い電圧利得を抑制せずに熱暴走を回避することは可能ですか？問題を綿密に調べると、このジレンマに対する世界最高のソリューションを利用できます。熱暴走を回避するために最小化する必要のある電圧ゲインは、 DC です。 AC ではなく、電圧ゲイン 電圧利得。結局のところ、熱暴走を助長するのはAC入力信号ではありません。特定のクラスの動作に必要なDCバイアス電圧です。トランジスタ（基本的にはDCデバイス）を「だまして」増幅させるために使用する静止DC信号です。 AC信号。負帰還をDCでのみ機能させる方法を考えれば、AC電圧利得を抑制せずにエミッタ接地増幅器回路のDC電圧利得を抑制することができます。つまり、反転したDC信号を出力から入力にフィードバックするだけで、反転したAC信号はフィードバックしない場合です。

Rfeedbackエミッタ抵抗は、負荷電流に比例した電圧を下げることによって負帰還を提供します。言い換えると、負帰還は、エミッタ電流経路にインピーダンスを挿入することによって実現されます。 ACではなくDCをフィードバックする場合は、DCの場合は高く、ACの場合は低いインピーダンスが必要です。 DCに対しては高インピーダンスであるが、ACに対しては低インピーダンスを示すのはどのような回路ですか？もちろん、ハイパスフィルターです！

下の図のフィードバック抵抗と並列にコンデンサを接続することにより、必要な状況を作成します。つまり、DCよりもACの方が簡単なエミッタからグランドへのパスです。

Rfeedbackと並列にCbypassを追加することにより、高いAC電圧ゲインが再確立されました

新しいコンデンサは、トランジスタのエミッタからグランドにACを「バイパス」するため、エミッタからグランドに感知できるほどのAC電圧が低下して入力に「フィードバック」され、電圧ゲインが抑制されることはありません。一方、直流はバイパスコンデンサを通過できないため、フィードバック抵抗を通過する必要があります。これにより、エミッタとグランド間のDC電圧が低下し、DC電圧ゲインが低下し、アンプのDC応答が安定して、熱暴走が防止されます。このコンデンサ（XC）のリアクタンスをできるだけ低くしたいので、Cbypassのサイズは比較的大きくする必要があります。このコンデンサの両端の極性は決して変化しないため、作業には分極（電解）コンデンサを使用しても安全です。

電圧利得を低減する負帰還の問題に対する別のアプローチは、シングルトランジスタ増幅器ではなく多段増幅器を使用することです。単一のトランジスタの減衰ゲインが目前のタスクに対して不十分な場合は、フィードバックによって引き起こされる減少を補うために複数のトランジスタを使用できます。下の図の3段エミッタ接地増幅器の負帰還を示す回路例。

「奇数」の直接結合されたエミッタ接地ステージの周りのフィードバックは、負のフィードバックを生成します。

最終出力から入力へのフィードバックパスは、単一の抵抗Rfeedbackを経由します。各段はエミッタ接地増幅器（したがって反転）であるため、入力から出力までの奇数段は出力信号を反転します。フィードバックは負になります（退行性）。そもそも、3つのアンプ段が多くのゲインを提供するため、電圧ゲインを犠牲にすることなく、比較的大量のフィードバックを使用できます。

最初は、この設計哲学はエレガントではなく、おそらく逆効果にさえ思えるかもしれません。これは、負のフィードバックを使用して発生するゲインの損失を克服し、ステージごとに追加することでゲインを単純に回復するための、かなり大雑把な方法ではありませんか？とにかく負のフィードバックですべてのゲインを減衰させる場合、3つのトランジスタステージを使用して巨大な電圧ゲインを作成することのポイントは何ですか？重要なのは、最初は明らかではないかもしれませんが、回路全体からの予測可能性と安定性の向上です。 3つのトランジスタステージがフィードバックなしで任意の高電圧ゲイン（数万以上）を提供するように設計されている場合、負のフィードバックを追加すると、全体的な電圧ゲインが個人に依存しなくなることがわかります。ステージゲイン、および単純な比率Rfeedback / Rinにほぼ等しい。回路の電圧ゲインが大きいほど（フィードバックなし）、フィードバックが確立されると、電圧ゲインはRfeedback / Rinに近くなります。つまり、この回路の電圧利得は2つの抵抗の値によって固定され、それ以上の値はありません。

これは、電子回路の大量生産にとっての利点です。予測可能なゲインの増幅器を、さまざまなβ値のトランジスタを使用して構築できる場合、コンポーネントの選択と交換が容易になります。また、温度の変化によってアンプのゲインがほとんど変化しないことも意味します。負のフィードバックによって「飼いならされた」高利得増幅器による安定した利得制御のこの原理は、オペアンプと呼ばれる電子回路の芸術的な形にほぼ高められています。 、または op-amps 。これらの回路については、この本の後の章でもっと読むことができます！

レビュー：

• フィードバック は、アンプの出力とその入力の結合です。
• ポジティブ 、または再生 フィードバックは増幅回路を不安定にする傾向があるため、発振（AC）が発生します。これらの振動の周波数は、主にフィードバックネットワークのコンポーネントによって決定されます。
• ネガティブ 、または退行性 フィードバックは、増幅回路をより安定させる傾向があるため、出力の変化は少なくなります フィードバックなしよりも与えられた入力信号に対して。これにより、アンプのゲインが低下しますが、歪みが減少し、帯域幅（アンプが処理できる周波数の範囲）が増加するという利点があります。
• 負帰還は、コレクタをベースに結合するか、エミッタとグランドの間に抵抗を挿入することによって、エミッタ接地回路に導入される場合があります。
• エミッタ接地の「フィードバック」抵抗は、通常、熱暴走に対する予防策としてエミッタ接地回路に見られます。 。
• 負帰還には、増幅器の電圧利得を抵抗値に依存させ、トランジスタの特性に依存させないという利点もあります。
• コモンコレクタアンプは、エミッタとグランドの間に負荷抵抗が配置されているため、多くの負帰還があります。このフィードバックは、アンプの非常に安定した電圧利得と、熱暴走に対する耐性を説明しています。
• エミッタ接地回路の電圧利得は、バイパスコンデンサを接続することにより、熱暴走に対する耐性を犠牲にすることなく再確立できます。 エミッタの「フィードバック抵抗」と並列に。
• 増幅器の電圧ゲインが任意に高く（数万以上）、負帰還を使用してゲインを妥当なレベルに下げる場合、ゲインはR _{フィードバックにほぼ等しくなることがわかります。} / R _in 。トランジスタβまたはその他の内部コンポーネント値の変更は、動作中のフィードバックによる電圧ゲインにほとんど影響を与えないため、安定して設計が容易なアンプが得られます。

関連するワークシート：

• クラスABJTアンプワークシート