JPH01221005A - 負帰還増幅器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明における閉ループ位相補償機能を備える負帰還増
幅器に関するものである。

従来の技術 近年、低周波増幅器はＩＣ技術、ハイブリッド技術など
の進歩によシ、電圧増幅器及び電流増幅器を同一パッケ
ージに入れた電力増幅ａ（以下オー／Ｌ／インワンＨＩ
Ｃと略す）が広く使用されておシ、最大コレクタ損失（
以下Ｐａｍａｘと略すンが１　ｏｏｗを超える物まで出
現している。

しかし、これらのオールインワンＨＩ　Ｃハ、ハイ・）
１イ用の低周波増幅器としては、歪率や安定度などの特
性上まだ十分とは言えない状況にある。

また、これらの低周波増幅器は、はとんどの場合負帰還
増幅器として使用されている。

以下図面を参照しながら従来の負帰還増幅器の閉ループ
補償の一例について説明する。

第６図は従来の閉ループ補償の一例を示すものである。

第６図において、Ａは増幅器、β１は帰還回路、１は増
幅器の非反転入力端子、２は増幅器の反転入力端子、３
は増幅器の出力端子、ＲＮＦ　＝Ｒは抵抗、ＣＮＦはコ
ンデンサ、ｅｌは入力信号電圧、φｌは入力信号電圧ｅ
１の位相：ｅｏは増幅１ｉＡで増幅された入力信号電圧
６１の出力電圧、φ。は出カイ圧・。の位相、ｅＮＦは
帰還回路βで帰還された出カイ圧ｅ０の帰還電圧、φＮ
Ｆは帰還電圧”ＮＦの位相である。

以上の様に構成された負帰還増幅器の閉ループ補償につ
いて、以下その動作について説明する。

一般に、負帰還増幅器の増１陥率ＡＮＦの周波数特性Ａ
ＮＦ（ｊω）は、裸の増幅率Ａ０の周波数特性Ａ０（ｊ
ω）と、帰還回路βの帰還率βの周波数特性β（５０斤
用いて、 と表わされる。また、ＩＡｏ（ｉω）・β（ｊω月＝１
となる周波数において、 φ１−φＮＦ≧１８０（度）　　　　・・・・・・・・
・（′４となると、負帰還増幅器は発振または不安定と
なる。

第５図の帰還回路β、の周波数特性β１（Ｊω）は、・
・・・・・・・・（３） と表わされる。

式（′４はｆｃ１″′２　ｗ　ＣＮ　ｙ　ＲＮ　Ｆ　　
で枦］得力゛。

ｄＢ／ｄｅａ、で上昇し、 で減少してゆく特性の組合わされたステップ特性をして
おシ、位相ｆｃ１と’ｃ２の間で最大９０度進む。

故に、第６図のコンデンサＣＮＦがない場合は、φ１−
φ。く１８ｏ（度）の領域でしか安定に動作しないのに
対して、第６図の様にコンデンサＣＮＦによって閉ルー
プ補償をすることによって、φ１−ψ。＜２７０（度）
の領域まで安定に動作するようにできる。

以下この様子を、第６図を用いて具体的に説明する。第
６図において、実線Ａ０（ｊω）は、ある増幅器の裸の
増幅率の周波数特性を示しており、１ｄｅｃ、　　ごと
に４次の遅れ要素を持っている。実線φ。はＡｏ（１ω
ンの位相特性を示す。

β１（ｊω）は、第６図の帰還回路で閉ループ補償され
た時の帰還回路の周波数特性゛を示す。φ、はβ１（ｊ
ω）の位相特性を示しており、最大９０度位相が進んで
いる。Ａ１（１ω）は、β、（１ω）で帰還された時の
増幅器の増幅率の周波数特性を示しておシ、Ａｏ（ｊａ
ｌ）と交錯する（ＩＡｏ（ｊａｌ）−β（１ω月−ｏｄ
Ｂとなる）周波数ｆ１　よシ高い領域では八〇（Ｉω）
の特性に従う。

β２（ｊω）は、第５図の帰還回路で、コンデンサＣＮ
Ｆが無い場合の帰還回路の周波数特性を示しておシ、周
波数に関係なく一定の定数（−ｓｏｄＢ）となっている
。またこの時、β２（神）の位相も周波数に関係なく０
度となる。Ａ２（１ω）は、β２（１ω）で帰還された
時の増＠器の増幅率の周波数特性を示しておシ、Ａｏ（
ｊω）と交錯する周波数ｆ２より高い周波数では八〇（
１ω）の特性に従う。

第６図Ａ０（ｊω）の様な裸の増幅率の周波数特性を持
った増幅器ヲ負帰還増幅器として使用する場合について
、（１）閉ループ補償なしの場合と、償閉μｍグ補償あ
シの場合について考察する。

（１）　　閉ループ補償なしの場合 第６図で、β２（ｉω）の様な特性を持った帰還回路で
Ａｏ（ｊω）に負帰還をかけると、Ａ２（１ω）の様な
特性になる。Ａ２（１ω）とＡｏ（ｊω）との交点、即
ち八〇（５ω）・β２（５ω）−１（ｏｄＢ）の点にお
ける位相はφ。−−１８０度となっており、この増幅器
は不安定である。

故に、第６図の八〇（５ω）の裸の増幅率を持った増Ｍ
器に閉ループ補償なしの負帰還をかけて負帰還増幅器と
して使用する場合、増幅器の増幅率は８０　ｄＢよシ大
きい領域でしか使用できない。言い換えると、負帰還増
幅器において、歪ノイズなどの特性改善に大きく影響を
及ぼすＮＦ量ＩｊＪＦ量−１＋Ａ。＠β＃Ａ０β（１（
Ａ０βのとき）〕は量大でも（４０ｄＢとなる。

＠）閉ループ補償ありの場合 第６図で、β１（１ω）の様な特性を持った帰還回路で
Ａｏ（ｊω）に負帰還をかけると、Ａ１（１ω）の様な
特性になる。ＡＩ（ｊω）とＡｏ（ｊω）との交点、即
ちＡ。（５ω）・β（ｊω）−１（ｏｄＢ）の点におけ
る位相は、φ０＝−２７０度、φ１−９０度とな−てお
シ、１φ。＋φ１１＝１ａｏ度となるため、この増幅器
は不安定である。

故に、第６図の八〇（１ω）の裸の増幅率を持った増１
醐器に閉ループ補償をして負帰還をかけて負帰還増幅器
として使用する場合、増幅器の増幅率は６０　ｄＢよシ
大きい領域でしか使用できない。言い換えると、ＮＦ量
は最大でも＜　５０　ｄＢとなる。

（１）と比較すると、負帰還増幅器として使用できる増
幅率の領域は１２０ｄＢ〜８０　ｄＢから１２０ｄＢ〜
６０ｄＢと３０ｄＢ広くなシ、これによってＮＦ量も最
大＜４０ｄＢから＜ｙｏｄＢとａ　ｏ　ｄＢ大きくとれ
るようになシ、（１）の場合よシ、歪、ノイズなどの特
性がＮＦ量の増加した分だけ改善することが可能になる
。

発明が解決しようとする課題 負帰還増幅器では、歪、ノイズ、周波数特性などが改善
されるが、歪について、第７図を使って説明する。

第７図において、１１は増幅率Ａの増幅器、１２は加算
器、１３は帰還率βの帰還回路であシ、ｅ　１　、ｅ　
ｏ　ｒ　＠　ｄはそれぞれ入力電圧、出力電圧、出力に
発生する歪電圧である。

第７図より、出力電圧ｅ０は、 ｅ＝Ａ（ｅ、−βｅ　０）　＋　ｅ　ｄ・・・−・・・
（４が成シ立つ。式（樽よシ、 となる。次に負帰還をかけない場合は、同じ出力電圧を
得るためには入力を１／（１＋Ａβ）にして増幅器に加
えれば良いので、この時の出力電圧は、となる。

式（５）　、　（時を比較すると、負帰還をかけない場
合の歪電圧ｅｄは、負帰還をかけることにより、ｅｄ／
（１＋Ａβ）に減少している。つまシ、負帰還をかける
ことによって歪はＮＦｉ分の１になることになる。

この様に、従来の負帰還増幅器では歪をＮＦ量分の１に
減少することができるが、第６図で示すように、裸の増
幅率の周波数特性Ａ６口ω）に対して、安定に負帰還が
かけられる領域が決まってしまい、歪やノイズを改善す
るＮＦ量も制限されてしまうという問題がある。

また、安定に負帰還をかけられる領域を広げるには、従
来の閉ル−プ補償ではできず、Ａｏ（ｊω）自体の特性
を変化させる開ループ補償を行わなければならないが、
一般に開ループ補償は八〇（１ω）の周波数帯域を狭ば
める狭帯域化を行う為、必要なＮＦ量を確保し、なおか
つ位相余裕を取ることをうまく行わないと逆効果になる
という問題もある。

更に、ＩＣ化された増１陥器などでは、開ループ補償用
の部品をＩＣ外に設けられる様に端子が設けられている
一部のものを除いては開ループ補償はできないという問
題もある。

本発明は上記問題に鑑み、開ループ補償に対して比較的
簡単に行える閉ループ補償によって、安定に負帰還をか
けられる領域内で、歪などを改善したい帯域でのＮＦ量
を増大させることができる負帰還増幅器を提供するもの
である。

課題を解決するための手段 上記問題点を解決する為に本発明の負帰還増幅器は、抵
抗とコンデンサの並列回路に直列に抵抗を接続した直並
列回路を、帰還回路をもつ増幅器の反転入力端子と接地
点との間に接続したことを特徴とするものである。また
、増幅器の非反転入力端子、抵抗とコンデンサで構成し
たローパスフィルタを備えたことを特徴とするものであ
る。

作　　用 本発明は上記した構成によって、反転入力端子と接地点
間に設けた直並列回路にて、歪やノイズなどを改善した
い周波数帯域内で、ＮＦ量を増大させ歪やノイズを改善
し、不必要な周波数帯域では逆にＮＦ量を減少させて負
帰還を安定にかけるように閉ループ補償を行うことがで
きるものである。また、非反転入力端子にローパスフィ
ルりを挿入することにより、負帰還をかけた後の増幅率
の周波数特性がフラットではなくなることを防止スル。

つまジローパスフィルターによって、帰Ｍ回路によって
作られる増幅率の周波数特性と逆の特性を作り出して増
幅率の周波数特性がフラ７）になるようにすることがで
きる。

実施例 以下、本発明の一実施例の負帰還増幅器について、図面
を参照しながら説明する。

第１図は本発明の第１の実施例における負帰還増幅器の
構成を示すものである。第１図において、Ａは増幅器、
Ｒ４は帰還回路、１は増幅器の非反転入力端子、２は増
幅器の反転入力端子、３は増ｒｐｘ器の出力端子、ＲＮ
Ｆ、ＲＯ−Ｒ１は抵抗、ＣＮＦ　。

Ｃ１はコンデンサ、ｌ１１は入力信号電圧、ｅｏは出力
電圧、ｅＮＦは帰還電圧である。

以上の様に構成された負帰還増幅器において、第１図の
帰還回路β４の周波数特性β４（ｊω）は、・・・・・
・（７） と幸り、このままでは見通しがつきにくいので、ＲＯ〈
Ｒ１（ＲＮＦ、　０５Ｆ（Ｃ１・・・（樽の条件を付け
て、式（′７）を整理すると、となり、更に近似すると
、 となる。式（１ｏ）と式（３）を比較すると、分母の（
１＋ＪωＣＮＦ”　Ｒｏ）ＲＮＦ）の項と、分子の（１
＋１ωＣＮＦ”　ＲＮＦ）の項が等しいので、ｆａｌ−
’／２　πＣＮＦＲＮＦで利得が２０　ｄＢ／ｄｅｃ、
で上昇し、ｆｃ２”’１／２πＣＮＦ（Ｒｏ）ＲＮＦ）
で利得が−２０ｄＢ／ｄｅｃ、で減少してゆく特性の組
合せによる第一のステップ特性があり、また、ｆｃ３＝
１／２πＣ４Ｒ１で利得が−２０ｄ　Ｂ　／ｄ　ｅ　ｃ
、で減少し、ｆｃ４−１／２πＣ１（Ｒｏ）Ｒ７）で利
得が２０ｄＢ／ｄｅａで上昇してゆく特性の組合せによ
る第二のステップ特性があることが分かる。

式（＠の条件よシ、第二のステップ特性は第一のステッ
プ特性よシ低い周波数帯域にある為、この第二のステッ
プ特性によシ、必要な帯域でのＮＦ量を増大させること
が可能になる。

以下この様子を第２図を使って具体的に説明する。

第２図において、ＡＯＣ５ω）はある増幅器の裸の増、
ｌＩｉ率の周波数特性を示しておシ、１ｄｅｃ、　　ご
とに４次の遅れ要素を持っている。φ。はＡｏ（１ω）
の位相特性を示す。

Ｒ３（ｊω）は第６図に示す従来の帰還回路で負帰還を
かけた時の帰還回路の周波数特性を示す。φ３はＲ３（
１ω）の位相特性を示す。Ａ３（ｊω）は、Ａ　　（ｊ
ω）がβ３０ω）で帰還された時の増幅率の周波数特性
を示しており、Ａｏ（ｊω）と交錯する（ＩＡｏ（ｊω
）−βａ（ｊω）ｌ＝ＯｄＢ　トナル）周波数ｆ３よシ
高い周波数領域ではＡ□（Ｊω）の特性に従う。

Ｒ４（Ｊω）は第１図に示す本発明の一実施例における
帰還回路で負帰還をかけた時の周波数特性を示すもので
、式（８）で示す様に’ｃ３で一２０ｄＢ／ｄｅａで減
少し、ｆａ４で＋２０　ｄ　Ｂ／ｄ　ｅ　ａで増大する
第二のステップ特性が発生していることがわかる。また
、ｆａ４よシ高い周波数では、Ｒ３（１ω）と同じ特性
とな’）ｆｃｌよシ高い周波数で第一のステップ特性を
示す。

Ａ４（１ω）は、Ａ（、（Ｊω）がＲ４（ｊω）で帰還
された時の増幅率の周波数特性を示す。

φ　は、Ｒ４（ｊω）の位相特性を示す。

第２図において、Ａ３（ｉω）とＡ。（ｊω）との交点
ｆ３でのＲ３（ｉω）の位相は９０度であシ、Ａ□（ｊ
ω）の位相は一２６２度である。故に、１φ。＋φ３１
冨１６２度く１８０度となり、Ｒ３（ｊω）で帰還をか
けた場合は安定である。

また、Ａ４（ｊω）とＡ。（ｊω）との交点ｆ４でのＲ
４（ｊω）の位相も９０度であシ、Ａｏ（ｊω）の位相
は一２６２度であるので、 １φ。＋φ３１＝１６２度〈１００度となり、Ｒ４（ｊ
ω）で帰還をかけた場合もＲ３（ｊω）と同様に安定で
ある。

以上の様に、Ａ３（ｉω）とＡ４（ｊω）は共に安定に
負帰還がかかっている。

次にｆｃ４よシ低い周波数でのＮＦ量を比較してみると
、Ａ３０ω〕　では第２のステップ特性は現われない為
、増幅率は、（ＲＯ＋ＲＮＦ）／Ｒ０＝ｅｏｄＢ一定と
なり、ＮＦ量はＡ□（ｊω）の第１のカットオフ周波数
より低い周波ｄ１．ｆ４よシ低い周波数ではｅｏｄＢ一
定となる。

また、Ａ４（ｉω）では第２のステップ特性が現われる
為、Ａ４（ｌω）の増幅率は （Ｒｏ＋ＲＮｙ）／Ｒ□＝ｅｏｄＢ　　より、−２０ｄ
Ｂ／ｄｅｃで減少し、ｆｃ３よシ低い周波数で （Ｒ０＋Ｒ１＋Ｒ１，ＪＦ　）／　（Ｒ０＋Ｒ１）　＝
　４０　ｄＢ一定となり、’ｃ３よシ低い周波数でのＮ
Ｆ量はＮＦ量＝８０ｄＢ一定となり、Ａ３（ｊω）　　
よｐもＮＦ量が２０ｄＢ増大し、歪などの特性がＡ３（
ｊω）よりもにｄＢ改善される。

以上の様に本実施例によれば、第１図の様な帰還回路を
設ければ、増幅器の帯域内の必要な帯域でのＮＦ量を安
定度は損なわずに増大することができる為、従来の場合
よシもＮＦ量が増大した分だけ歪などの特性を改善する
ことができる。

以下本発明の第２の実施例について図面を参照しながら
説明する。

第３図は本発明の第２の実施例における負帰還増幅器の
構成を示すものである。第３図において第１図と同じ構
成のものには同記号を記して説明を省略する。

第３図において、工は増幅器の非反転入力に設けられた
低域通過フィμター（以後、ＬＰＦと省略）である。

Ｒｉ、ＣｉはＬＰＦを構成する抵抗とコンデンサである
。上記の様に構成された負帰還増幅器について、第４図
を使ってその動作を説明する。

第４図において、Ａ４（１ω）は、第３図の構成におい
て、ＬＰＦが無い場合の負帰還増幅器の増幅率の周波数
特性であシ、第２図のＡ４（１ω）と同じ特性になって
いる。

Ａｉ（Ｊω）は、ＬＰＦの周波数特性である。

Ａ５（ｊω）は、Ａ４（ｊω）とＡｉ（ｊω）を加算し
た、第３図の構成の負帰還増幅器の増幅率の周波数特性
である。

いま第３図のＬＰＦの周波数特性は、 Ａｉ（ｊω）＝□　　　・・・・・・Ｑ１１＋１ωＣ，
Ｒ。

となシ、このＬＰＦのカットオフ周波数ｆｃＬは、ｆＣ
Ｌ−・・・・・・（２） ２πＣ，Ｒ。

となる。

また、Ａ４（ｊω）の第２のステップ特性のカットオフ
周波数’ｃ３は弐αＱより、 ’　Ｒ３”　　　　　　　　　　　　・・・・・・・・
・（至）２πＣ１Ｒ１ となる。

ここで、ＬＰＦのカットオフ周波数ｆＣＬとＡ４（ｉω
）のカットオフ周波数ｆ。３とを等しくすると、つまシ ２□。ｉＲＡ２　ｙｒ。、Ｒ４°°°゛°°°゛°α◆
となるようにＣ，Ｒ，の定数を設定すると、Ａ４（５ω
）とＡ、（ｊω）は第４図に示す様になシ、この両者の
特性を加算した特性Ａ６（ｊω）が第３図の構成の負帰
還増幅器の特性となる。

Ａ４（１ω）では、ｆａ３までフラットな特性になるが
、Ａｓ（ｊａｒ）では、ｆａ３よＦ）　＋　２０　ｄＢ
／ｄｅａで増加してゆく特性がＬＰＦの一２０ｄＢ／ｄ
ｅｃで減少してゆく特性によって打消されて、’ｃ４ま
でフラットな特性が得ることができる。

第４図ではフラット特性は１ｏｃｔ、改善されている。

以上の様に、第１図の負帰還増幅器の入力に、第３図の
様なＬＰＦを設けることによシ、負帰還回路の周波数特
性を補正してフラットな帯域を拡大することができる。

発明の効果 以上の様に本発明は、抵抗とコンデンサの並列回路に抵
抗を直列に接続した直並列回路を負帰還点と接地点の間
に接続した帰還回路を備えることｋより、ある周波数帯
域でステップ特性を設け、ＮＦ量を増大させ歪などを改
善することができる。

そして、負帰還増幅器の非反転入力に抵抗とコンデンサ
のローパスフィルターを設けることにより、上記のステ
ップ特性を補正して、フラットな帯域を拡大することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例における負帰還増幅器の
回路図、第２図は本発明の第１の実施例における負帰還
増幅器の増幅率と位相の周波数特性図、第３図は本発明
の第２の実施例における負帰還増幅器の回路図、第４図
は本発明の第２の実施例における負帰還増幅器の増幅率
の周波数特性図、第５図は従来の負帰還増幅器の回路図
、第６図は従来の負帰還増幅器の増幅率と位相の周波数
特性図、第７図は負帰還増幅器と負帰還のない増幅器の
歪の改善の説明のためのブロック図である。 Ａ・・・・・・増幅器、β４・・・・・・帰還回路、■
・・・・・・ローパスフィルター、１・・・・・・非反
転入力端子、２・・・・・・反転入力端子、３・・・・
・・出力端子。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名１−
ＩＦ−及軟入友＠子 ２−一一反転人声＠子 ６−一呂カ端子 Ａ　−−一増喝暴 β肇−−−　ソ嘴テ　還■τ路 ｅｉ−一人ｐ　イ占号１ｔノ色 ｅｏ−一一出力覗痒 こＮＦ・“−ソＡすｉ遺１ｉ−７Σ〒−第　１　図 ｔ３　−−　　　　　　　　　　　　　　　　　クンイ
１１１１ッｈ４＋＋−リ゛′ｄ）儲 ハチ（ｊ功−・・　　　　・・・・　　　貝ン弔憧１１
戸四゛ガ１１の増種Ａ−１Ｍ２図 の　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　マ塚　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　に！フ汁 第５図 り一一一一一一一二 Ａａ（７−刃（の１幅率

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　非反転入力端子と反転入力端子と出力端子とを有し
   、上記反転入力端子と出力端子間に帰還回路を設けた増
   幅器を備え、この増幅器の反転入力端子と接地点間に抵
   抗コンデンサの並列回路に抵抗を直列に接続した直並列
   回路を接続したことを特徴とする負帰還増幅器。 ２　増幅器の非反転入力端子に抵抗とコンデンサで構成
   するローパスフィルターを設けたことを特徴とする請求
   項１記載の負帰還増幅器。