増幅器フィードバックの理解：正帰還と負帰還、実用応用

増幅器フィードバックの理解

増幅器において、出力信号の一部を入力に戻すことができます。この意図的な結合をフィードバックと呼び、現代エレクトロニクスの基石となっています。

フィードバックの種類

フィードバックは一般的に2つの異なるタイプに分類されます：

• 正帰還（再生） – 戻った信号が出力変化を強化する。
• 負帰還（変性） – 戻った信号が出力変化を抑制する。

正帰還は発振を引き起こす可能性があり、負帰還は変化を抑制し増幅器を安定化させる方向に働きます。

正帰還の実例

典型的な例は、マイクをスピーカーに近づけすぎたときにPAシステムから聞こえる「ハウリング」です。マイクがスピーカーの出力を拾い、再増幅し、ループが繰り返されることで音量が上昇し、最終的に増幅器が飽和します。回路設計では、意図的な正帰還を利用して発振器を作り、DC電源から安定したAC波形を生成します。

負帰還とそのメリット

負帰還を適用すると、出力の増加が減算信号として入力に戻されるため、よりリニアな応答、歪み低減、帯域幅拡大が得られます。トレードオフは電圧利得の低下で、同じ出力レベルに達するにより大きな入力が必要になります。ほとんどの用途では、得られる安定性と明瞭さが生の利得損失を上回ります。

エミッタ共通増幅器での負帰還の例

以下に示す古典的なエミッタ共通段を考えます。バイアスネットワーク（R1、R2）が静止ベース電圧を確立し、R3が電圧利得を制御します。この段は信号を反転するため、コレクタをベースに接続すると負帰還が導入されます。

コレクタ-ベース接続により、ベースで見られる電圧は入力とフィードバックの加重混合となり、実効利得を下げつつ直線性と帯域幅を改善します。

あるいは、エミッタとグランド間に抵抗を配置しても同じ効果が得られ、エミッタ電流に比例した電圧降下でベース-エミッタ電圧に直接対抗し、段をさらに安定化します。

DC利得は低下しますが、エミッタ抵抗にバイパスコンデンサを並列接続することでAC利得を維持できます。コンデンサは信号周波数で低インピーダンスパスを提供し、エミッタを信号に対して実質的に「グランドに短絡」させながら、熱暴走を防ぐDCフィードバックを提供します。

負帰還が不可欠な理由

負帰還なしでは、温度変化がトランジスタのベース-エミッタ電圧-電流関係をシフトさせ、熱暴走を引き起こす可能性があります。負帰還はトランジスタが暖まるにつれてバイアス電流を自動的に減らし、安定した動作点を維持します。この原理は、コレクタ共通（エミッタフォロワ）増幅器が本来エミッタ-グランドフィードバックを含むため、熱暴走に強く、トランジスタβに依存しないほぼユニティの電圧利得を示す理由も説明します。

利得を維持しつつ安定性を確保

高いAC利得と安定したDC動作を両立するため、設計者はしばしば以下を用います：

• エミッタフィードバック抵抗に並列接続したバイパスコンデンサ。
• 全体利得は高いがフィードバックで制御され、2つの抵抗で決まる予測可能な比を持つマルチステージ増幅器。

これらの技術は、正確で温度非依存な利得を最小歪みで提供する現代のオペアンプ（op-amp）の動作基盤となっています。

重要なポイント

• フィードバックは出力を入力に戻す結合。
• 正帰還は発振を促進；負帰還は安定性を促進。
• 負帰還は歪み低減、帯域幅拡大、利得制限をもたらす。
• コレクタ-ベースやエミッタ-グランド接続が負帰還の一般的実装。
• バイパスコンデンサでDCフィードバックを維持しつつAC利得を保持。
• 負帰還により増幅器利得がトランジスタ特性ではなく抵抗値でほぼ決まる。
• コレクタ共通段は固有のフィードバックで安定性と熱保護を実現。

さらに学ぶ

• クラスA BJT増幅器ワークシート