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» 2012年04月03日 10時30分 UPDATE

Analog ABC(アナログ技術基礎講座):−総集編−アナログ回路の入門はここで決まり!! 計36回の連載を一覧で解説

計36回にも及ぶ連載をテーマごとに区切り、まとめました。「オームの法則」という最も基本的な数式から始まった連載が、「オペアンプ」や「Band Gap Reference」といったアナログ回路につながっていく道筋を理解できるはずです。

[EE Times Japan]

アナログ技術基礎講座「Analog ABC」一覧

 「アナログ」という言葉を聞くと「古い」、「時代遅れ」、「頑固親父」なんていう印象を持つ人が多いかもしれません。アナログは「アナクロニズム(時代錯誤)」と語感が似ていることが原因かもしれませんが、アナログ回路の世界は楽しいものなのです――。そんな文章から始まったアナログ技術基礎講座「Analog ABC」は、2008年11月〜2012年4月にわたる長編連載となりました。

 この連載は、「数式ではなくできるだけ言葉で、イメージできるように回路の動作を説明する」、「さまざまなアナログ回路を単体として考えるのではなく、組み上げて理解する」というコンセプトを基に始めました。新たにアナログ回路を学ぶ皆さまに、教科書の数式を見て分かったような気になるのではなく、自分自身の頭でイメージしながら回路の動作を理解できるようになってほしい、という思いがありました。

 執筆者は、高性能アナログや高周波(RF)アナログを手掛けるディー・クルー・テクノロジーズで、常務取締役CTO(最高技術責任者)兼プラットフォーム開発統括部長を務めている美齊津摂夫氏です。ここでは、計36回にも及ぶ連載をテーマごとに区切り、まとめました。「オームの法則」という最も基本的な数式から始まった連載が、「エミッタ接地増幅回路」や「差動対」を経て、「オペアンプ」や「Band Gap Reference」といったアナログ回路につながっていく道筋を理解できるはずです。(EE Times Japan 編集部


アナログ回路を学ぶ皆さんへ 〜執筆者からのメッセージ〜

執筆者インタビュー「空想する、結果を思い描く」

アナログ技術基礎講座「Analog ABC」の執筆者へのインタビュー。EE Time Japanの2008年6月号の技術者インタビュー「Spotlight」の内容を再録したものです。

若手エンジニアへのエール〜この激動の時代、回路設計者として生きるということ〜

アナログ回路はシステム全体から見ると、非常に小規模な回路であることが一般的です。ただ、その小さな回路が周囲とどのように絡んでいるのかを「仕様書の数字の先にあるもの」、つまり開発の背景やその数字となった経緯など、仕様書に込められている「想い」や「夢」を一緒に開発する仲間はもちろん、パートナーやお客さんと共有できることが大切なのです。


はじめに 〜アナログ回路とは? 最も基本的な法則〜

キーワード:アナログ回路設計 /オームの法則/ 抵抗/ インダクタ/ コンデンサ/ インピーダンス/ 共振現象

第1回 楽しいアナログ回路設計

今では身の回りにある電子回路の多くがデジタル化されて、アナログ回路を見つけるのが難しくなりつつあります。しかし、アナログ回路が無くなることはありません。それは、自然界に存在する信号や人間が扱える信号がアナログだからです。アナログ回路の仕事は、現実の世界とデジタルの世界の通訳をすることです。

回路設計ツールが出力した結果に対して何らかの判断をするためには、設計者が独自に答えを出し、ツールの結果と照らし合わせる必要があります。自分なりの答えを持つことは、回路設計ツールとの戦いの始まりであり、アナログ回路設計を楽しむ「こつ」でもあります。

第2回 回路はすべてオームの法則から(前編)

自分なりの答えを出すためには、いくつかの基本的な法則を知っておくと便利です。その中でも、一番重要で基本的な式は「オームの法則」です。このオームの法則は、「抵抗の両端に電圧をかける(印加する)と抵抗に電流が流れ、逆に抵抗に電流を流すと抵抗の両端には電圧が発生する」という現象を表現しているにすぎません。しかし、この現象はどのような電子回路でも発生します。線形増幅器や非線形なデジタル回路、直流動作のレギュレータ回路、高周波(RF)回路であろうと一緒です。

第3回 回路はすべてオームの法則から(後編)

前回は、アナログ回路を理解する上で、最も重要で、基本的な法則であるオームの法則と、オームの法則に現われるインピーダンスについて説明しました。今回は実際に、抵抗(R)やインダクタ(L)、コンデンサ(C)の直列回路や、並列回路のインピーダンスを考察し、そこに現われる現象を調べてみます。


トランジスタの3つの基本接続

キーワード:共振現象/ フィルタ/ 減衰器/ ダンピング抵抗/ トランジスタの基本特性/ エミッタ接地回路/ コレクタ接地回路/ ベース接地回路/ 利得/ 入力インピーダンス/ 出力インピーダンス

第4回 基本現象を応用して回路設計 〜 フィルタ 〜

アナログ回路を設計するには、基本的な現象や原則を理解して応用することが大切です。その例として今回は、前回説明した共振現象の応用例として、フィルタ回路を取り上げます。フィルタ回路にはいくつかのタイプがありますが、共振現象を積極的に活用したタイプもあれば、逆に共振現象を抑えるための対策が必要なタイプもあります。フィルタ回路を設計するには、共振現象とうまく付き合う必要があるのです。

第5回 トランジスタには接続方法が3つ

アナログ回路を設計する上で、トランジスタの基本的な動作や特性、接続方法を理解するのは大切なことです。本連載でも、トランジスタを活用したさまざまな回路を紹介する予定です。まずはその前準備として、トランジスタの動作や接続方法について大まかに説明します。


エミッタ接地増幅回路 〜定数を決める、温度/ばらつき対策、高性能化〜

キーワード:負荷抵抗/ バイアス点/ 負荷直線/ 熱電圧/ 鳳-テブナンの定理/ 温度特性/ 温度対策/ バイアス抵抗/ べース抵抗/ 製造ばらつき/ エミッタ抵抗/ コレクタ接地回路(エミッタフォロア)/ インピーダンス変換/ 入力インピーダンス/ 出力インピーダンス/ ベース接地回路/ 周波数特性の改善/ 反転増幅回路/ ミラー効果/

第6回 エミッタ接地回路の定数を決める

トランジスタには3つの接地方式があることを紹介しました。今回はそのうちの1つ、増幅回路として使える「エミッタ接地回路」を取り上げ、基本的な設計手順を詳しく説明します。

第7回 エミッタ接地回路の温度対策

増幅回路を設計する際には、温度に対する特性変化にも気を配る必要があります。今回は温度変化への対策方法を紹介しましょう。

第8回 エミッタ接地回路にばらつき対策施す

温度変化に対して安定した特性を得られたので、これで良しとしたいところですが、まだ検討しなければならないことがあります。それは、トランジスタの個性、すなわち「製造ばらつき」への対策です。

第9回 エミッタ接地回路のサプリメント 〜 エミッタ・フォロア 〜

今回はエミッタ接地回路の特性をさらに向上させるサプリメントのような「エミッタ・フォロア(コレクタ接地)回路」を紹介します。エミッタ・フォロアを使うメリットは、入力インピーダンス(Zin)が高く、出力インピーダンス(Zout)が低いことにあります。エミッタ接地回路を多段接続した際に、利得が低下してしまうのを防ぐことができます。

第10回 エミッタ接地回路のサプリメント 〜 ベース接地回路 〜

今回は前回に引き続き、エミッタ接地回路の特性を向上させるサプリメントのような「ベース接地回路」を紹介します。ベース接地回路を使えば、反転増幅回路の「ミラー効果」の悪影響を抑制し、増幅回路の周波数特性の改善が図れます。


エミッタ接地回路から「差動対」へ 〜動作原理から利得の計算まで〜

キーワード:リミッタ機能/ 同相雑音除去/ 入力の差電圧/ エミッタの等価抵抗/ 差動対の周波数特性

第13回 アナログ回路に不可欠な差動対

差動対は、オペアンプやコンパレータ(比較器)といった基本的なアナログ回路のさらに基本となる回路です。差動対がなければ、現在のように電子回路が発展していないと言ってよいほど、重要な回路です。

第14回 差動対を手を動かして理解する

今回は、差動対の数多くの特長や使い道のうち、「同相雑音の除去機能」と「リミッタ機能」に焦点を当てましょう。差動対がこれらの機能を備える理由を、数式をうまく使いながら紹介します。

第15回 差動対の利得を理解する

今回は、差動対の利得に焦点を当てましょう。差動対は、例えばオペアンプなど、あらゆる増幅器の入力段に使われています。増幅器の重要な指標である利得について、理解を深めるのは大切なことです。


差動対からオペアンプへ 〜能動負荷から位相補償まで〜

キーワード:能動負荷/ 負帰還/ 入出力動作範囲/ カレント・ミラー回路/ アーリー電圧/ 交流解析/ 応答速度/ 信号源インピーダンス/ ミラー効果/ 寄生容量/ 入出力範囲/オープン特性/ 1次傾斜/ 位相余裕/ 利得(ゲイン)余裕/ 位相補償/ ボルテージフォロア/ ミラー効果

第16回 差動対がオペアンプに変身(1)〜能動負荷で利得を高める〜

差動対の利得を大きく増やして、簡単なオペアンプを設計する方法を紹介します。負帰還をかけて使うオペアンプには、(1)利得が高いこと、(2)入出力動作範囲が広いこと、(3)オープン特性が1次傾斜であること、という3つの特性が必要になります。今回と次回は、1つ目の「利得が高いこと」という条件を満たすために、「能動負荷」を使って、利得を高める方法を説明します。

第17回 差動対がオペアンプに変身(2)〜能動負荷を交流解析〜

今回は前回に続いて、能動負荷を使った差動対の動作を解説します。今回は、アンプ(差動対)を交流解析(AC解析)することで、応答速度(周波数特性)を計算しましょう。能動負荷を使えば、アンプの段数を増やすことなく、利得を高められます。このことは、消費電力や回路規模を大きくしなくてもよい点で、非常に有利と言えます。ただしその反面、アンプの利得とトランジスタの寄生容量、信号源のインピーダンスが深く関連し、応答速度が犠牲になります。

第18回 差動対がオペアンプに変身(3)〜入出力範囲をエミッタ接地で広げる〜

今回は、増幅回路をオペアンプとして使うための条件の2つ目「入出力動作範囲が広いこと」に注目します。理想的には、出力電圧はグラウンド電圧(0V)〜電源電圧(5V)の範囲で動作してほしいのですが、これまで設計してきた回路はそうなっていませんでした。

第19回 差動対がオペアンプに変身(4)〜オープン特性を1次傾斜へ〜

今回と次回は、オペアンプの周波数特性に注目します。オペアンプを設計するために、増幅回路のオープン特性が1次傾斜になるように工夫します。負帰還をかけたオペアンプを発振させずに、安定して動作させるには、位相余裕と利得(ゲイン)余裕を確保する必要があります。位相余裕を確保するためには、利用したい周波数範囲で利得特性を1次傾斜のまま、0dBを通過させることが重要になります。そうすれば、位相余裕は理想的には90度になります。

第20回 差動対がオペアンプに変身(5)〜コンデンサを追加して位相補償〜

利得余裕と位相余裕とは、回路が発振してしまう状況から、利得と位相がどれだけかけ離れているかを示しています。位相余裕のない状態を改善するには、コンデンサを増幅回路に追加して、応答速度を遅くし、位相余裕を増やすのが一般的です。


バイポーラトランジスタから「MOSFET」へ 〜基本原理から増幅回路まで〜

キーワード:ドレイン接地 /ソース接地 / ゲート接地/ 線形領域/ 飽和領域/ 増幅回路/ バイアス点/ 利得/ 能動負荷/ しきい値(Vth)/ カレントミラー/ 応答速度

第24回 MOSFETの基本を理解する

今回からは、バイポーラトランジスタよりも広く使われている「CMOSトランジスタ」に注目して、動作の特徴や利点、欠点などを紹介していきます。

第25回 MOSFETで増幅器を設計(1)

今回は、MOSFETを使った増幅回路の設計方法の基本を解説しましょう。ソース接地回路を使って、増幅器を設計します。ソース接地回路の周辺部品の定数の決め方は、バイポーラトランジスタの場合とよく似ていますが、線形領域(バイポーラトランジスタでは、飽和領域)の動作が大きく異なります。

第26回 MOSFETで増幅器を設計(2)

今回は、前回に引き続き、MOSFETを使った増幅器の設計方法を解説しましょう。利得を計算するとともに、設計した増幅器に交流解析や過渡解析を施します。

第27回 n型MOSFETにp型追加して利得向上

前回はn型MOSFETを使い、20dB程度の利得を持つアンプを作りました。今回は、この増幅回路にp型MOSFETを追加して、さらに利得を高めたいと思います。n型MOSFETとp型MOSFETを組み合わせると利得が高められる理由は、能動負荷を使うからです。

第28回 カレントミラーで2つのMOSFETの歩調を合わせる

前回紹介した増幅回路は、2つのMOSFETのしきい値(Vth)のわずかなずれが、利得や動作点に大きな影響を与えるという欠点がありました。今回は、「カレントミラー」を使って、この欠点を改善しましょう。ゲート接地を使って応答速度を高める方法も解説します。


MOSFETを使ってオペアンプを設計

キーワード:差動対/ 能動負荷/ 位相補償 /オペアンプ / オープンループ特性/ ボルテージフォロア/ 入力段/ 出力段/ カスケード(従続)接続/ カレントミラー/

第29回 MOSFETを使ってオペアンプを設計

今回は、これまでに紹介してきた幾つかの基本回路と差動対を組み合わせて、MOSFETを使ったオペアンプを設計しましょう。本連載の第16〜第20回の「差動対がオペアンプに変身」シリーズと同様に、MOSFETでもオペアンプを構成しました。

第30回 MOSFETのオペアンプを改善〜FET寸法の調整で入出力特性を向上〜

今回は、前回設計したアンプをボルテージフォロアとして使うと、グラウンド電圧や電源電圧の付近において、出力電圧が入力電圧に追従できないという課題に取り組みます。

第31回 MOSFETのオペアンプを改善〜FETを変えず回路の工夫で特性向上〜

前回は、オペアンプをボルテージフォロアとして使うと出力電圧が電源電圧まで達しない原因を説明し、その対策として出力段のトランジスタの寸法を変えるという方法を紹介しました。ただ、トランジスタの寸法の変更は、チップの寸法を増やしてしまったり、寄生容量が増加してオペアンプの特性を劣化させてしまうという側面もあります。今回は、トランジスタの寸法を変更しない改善方法を解説します。

第32回 MOSFETのオペアンプを改善〜裏返し回路で入出力特性向上〜

前回は、電源電圧付近で出力電圧が入力に追従できないという問題は解決しました。そこで今回は、残されたGND側の特性の改善に取り組みましょう。電源側の問題を解決した回路とGND側の問題を解決した回路を合体させることで、オペアンプをボルテージフォロアとして使ったとき、出力が入力に追従しないという問題を解決したオペアンプを完成させます。


オペアンプから「Band Gap Reference」へ 〜基本動作から各種対策〜

キーワード:電源電圧の変動/ ダイオード/ 温度変化/ 電圧制御電流源 /オペアンプ/ 電源雑音/ 位相補償用コンデンサ/ バイパスコンデンサ/ ダンピング抵抗/ 製造ばらつき/ オフセット電圧

第33回 Band Gap Referenceの原理を出発点から解説

今回以降は話題を大きく変え、まだ紹介していなかったアナログ回路として「Band Gap Reference(BGR)」を取り上げます。いろいろと回路を設計をしていると、何かしらの“基準”となる電圧が欲しくなります。例えば、A-Dコンバータやコンパレータなどの基準電圧だったり、電源電圧に依存せずに一定の電流を流してくれる回路などです。電源電圧が変化したときも、変わらない値を生み出すときに使われるのが、BGRです。

第34回 温度変化の“相殺”でBand Gap Referenceの特性改善

前回は、2つダイオードの端子電圧の差をうまく使うことで、電源電圧の変動に影響を受けない基準電圧を生み出せることを説明しました。今回は、温度変化による電圧変化を相殺するBGRを設計しましょう。

第35回 あの手この手でBand Gap Referenceの電源雑音対策

今回は電源電圧に含まれる雑音への対策を紹介します。基準電圧ですから、できるだけ雑音の少ないきれいな電圧を供給する必要があります。電源電圧に雑音が載っていなければいいのですが、そう甘くはありません。電源電圧には、雑音やリップル電圧などが重畳されているというのが世の常です。従って、BGR回路は電源電圧に含まれた雑音を消すという役目を担う必要があるのです。

第36回 「相対ばらつき」も考慮してBand Gap Referenceを設計

今回はBGR回路編の最終回として、「トランジスタの相対ばらつきと、BGR回路の起動」に焦点を当てます。相対ばらつきに起因したオフセット電圧が高くなると、BGR回路は正常に起動できなくなります。


番外編 〜回路シミュレータの概要や筆者の失敗談など〜

アナログ回路設計のエンジン(前編)

今回は番外編として、「回路シミュレータ」について紹介します。アナログ回路の設計も同じです。開発した回路の機能や性能が目標(仕様)通りであるかどうかをあらかじめ確認したり、うまく特性が出なかったときの原因分析にシミュレータを使ったりします。回路設計者にとって回路シミュレータは、大工さんののこぎりやかんなと同じように無くてはならないものです。しかし、使い方次第では誤った答えを出すので注意が必要です。

アナログ回路設計のエンジン(後編)

前回は回路シミュレータを使って、直流解析と交流解析、過渡解析という3種類の解析が実行できることを紹介しました。今回は、解析のメカニズムについて概要を紹介しましょう。回路シミュレータは、設計した内容が予測通りかどうかを確認するための道具であって、回路設計者に代わって設計してくれる道具ではないのです。このことをよく理解して使ってこそ、シミュレータの真価が発揮されるにではないかと日々思っています。

基板から不可解な音が聞こえる、コンデンサが震えていた理由は…

事件は、工場の職長さんからの電話で始まりました。「おい美齊津くん、君が設計したモジュールにはセミでも入っているのか?」。「セミですか? そんなもの、入れていません」。「だって、恒温槽の中でモジュールがビービーと鳴いているぞ!」。

電源フィルタの設計に悪戦苦闘、雑音を抑えるはずが発振状態に…(前編)

発振器を設計するとなかなか発振してくれないのに、アンプはすぐに発振してしまう…。高利得/広帯域のアンプを発振しないように設計するのは、結構難しいものです。特に、電源フィルタも含めて発振させず、安定動作するアンプを作るのに悪戦苦闘した方も多いのではないでしょうか。

電源フィルタの設計に悪戦苦闘、雑音を抑えるはずが発振状態に…(後編)

アンプを設計するとき、まずはアンプの特性をきちんと出さないと話になりません。そこで、電源は理想的だと仮定して、アンプを設計することが多いと思います。アンプの設計が終わって、さて電源フィルタはどうしようかと考え始めると、これが意外と難しいのです。

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