クラスC増幅器マスターガイド：動作原理・特徴・応用の完全解説

増幅器は回路設計の必須コンポーネントです。動作モードと構造により、クラスA、B、AB、Cの4種類に分類されます。良質な増幅器には直線性、出力電力、利得、効率が求められます。本記事はクラスC増幅器に焦点を当て、知っておくべき全知識をまとめました。

1. クラスC増幅器の概要

クラスC増幅器は、トランジスタを能動素子として用い、入力信号サイクルの半分未満（導通角＜180°、典型的に80°〜120°）のみ電流を流す増幅器です。この狭い導通角は大きな歪みを生みますが、理論上最大80%という高効率を実現します。

（基本的なクラスC増幅器記号）

出典：Wikimedia Commons

2. クラスC増幅器の動作原理

回路図

出典：Wikimedia Commons

導通角＜180°による歪みは、同調負荷（チューニング回路）で制御します。入力信号でトランジスタをスイッチングし、電流を制御します。RF増幅器での使用例を示します。

（RF増幅器）

入力波形と出力波形の関係は以下の通りです。

（電流波形）

原理の詳細

この増幅器は主に共振回路負荷で駆動されます。負の電源でバイアスし、AC電源のピーク値がベース・エミッタ間電圧を超える短い時間のみトランジスタが導通します。完全なAC負荷線を用いれば、理想的な最大コレクタ電流はIc(sat)、最小コレクタ電圧はVce(sat)となります。

トランジスタはパルス電流を生成し、共振回路を通じて入力電流に追従させます。適切な値を選べば共振周波数でタンク回路が発振し、他の周波数成分を減衰させて単一周波数で発振させます。同調負荷で所望周波数を取り出し、追加フィルタで出力ノイズを除去します。結合トランスでタンク回路へ電力を伝達します。

（結合トランスを用いたバッテリーチャージャー）

3. クラスC増幅器の長所と短所

長所

1. RF（高周波）用途に最適
2. 同出力での物理サイズが最小
3. 高周波動作が可能

短所

1. 理想的なインダクタや結合トランスの入手が困難
2. ダイナミックレンジが狭い
3. 直線性が最低（リニア増幅器として不適）
4. 大量のRF干渉を発生
5. 高歪みのためオーディオ用途に不向き

4. クラスC増幅器の出力特性

出力電流

入力正弦波サイクルの半分以上で出力電流はゼロ（トランジスタがカットオフ）となります。

出力電流最大値

理論効率80%は、導通角縮小によるもので、大きな歪みと引き換えです。導通角は80°〜120°。

効率計算式

効率（η）＝ 出力電力 ÷ 入力電力 × 100%

5. クラスC増幅器の動作解析

電力損失

（クラスC波形）

出典：Wikimedia Commons

入力波形の一部のみ動作するため電力損失は低いです。AC入力パルス間隔T、振幅Ic(sat)、最小電圧Vce(sat)。トランジスタのオン時損失：PD(on) = Ic(sat) × Vce(sat)。残りの時間はオフ状態です。

（トランジスタ例）

同調動作

（クラスC増幅器の増幅作用）

コレクタ電流はAC信号サイクルの半分未満で流れます。バイアス角80°〜120°。共振回路が完全サイクルで動作するため、50%未満の導通で済みます。導通角を下げると効率向上ですが歪み増大のトレードオフです。同調負荷で歪みを制御し、入力信号でトランジスタをスイッチングして同調負荷に電流を流します。

（RF送信機）

クランパバイアス回路

（クランパバイアス付き同調クラスC増幅器）

共通エミッタクラスC増幅器に負荷抵抗を用いた概念図（実際は共振負荷）。負電源でカットオフ以下にバイアス。ACソースピークがベース電圧をわずかに超える瞬間のみベース・エミッタ障壁を越え、トランジスタが短時間オンになります。

6. クラスC増幅器の応用

• RF発振器
• FM送信機
• ブースター増幅器
• 高周波リピータ
• 同調リピータ

7. クラスA、B、AB、C増幅器の比較

違い	信号再現性	導通サイクル	効率	用途
クラスA	優れた信号再現	360°全サイクル	トランジスタ常に半分オン。電流常時流れ発熱大、効率約25%	低出力機器（ラジオ、屋外音響等）
クラスB	信号再現性劣る	半サイクル（180°）	正バイアスTrが正信号、負バイアスTrが負信号を担当。スイッチング歪みありだが発熱少、効率約78%	電池駆動機器に最適
クラスAB	良好な信号再現	半サイクル以上	AとBの長所を融合。良好な再現性と効率約78%を両立	高忠実度オーディオ増幅器
クラスC	—	半サイクル未満（＜180°）	重バイアスで＜180°のみオン。高歪みだが発熱最小、効率80%	オーディオ不向き。電流パルス性を活かしRF発振器等に使用

まとめ

クラスC増幅器は最も効率が高く、発熱が少ないため、適切な用途（RF増幅・発振等）では最強の選択肢となります。

本記事がお役に立てば幸いです。クラスC増幅器についてご質問があれば、お気軽にお問い合わせください。