増幅器

アンプ、電子アンプ、または（非公式に）アンプは、信号（時間とともに変化する電圧または電流）の振幅を増大させることができる電子デバイスです。アンプは、電源からの電力を使用して、入力端子に印加された信号の振幅（電圧または電流の振幅）を増大させ、それに比例してより大きな振幅の信号を出力に生成する2ポートの電子回路です。アンプによって提供される増幅量は、ゲイン（出力電圧、電流、または電力と入力の比）によって測定されます。アンプは、電力ゲインが1より大きい回路として定義されます。 ^{[2] [3] [4]}

アンプは、独立した機器の場合もあれば、別のデバイス内に含まれる電気回路の場合もあります。増幅は現代の電子機器の基本であり、アンプはほとんどすべての電子機器で広く使用されています。アンプはさまざまな方法で分類できます。1つは、増幅される電子信号の周波数によるものです。たとえば、オーディオアンプは20 kHz未満のオーディオ（音声）範囲の信号を増幅し、RFアンプは20 kHz〜300 GHzの無線周波数範囲の周波数を増幅し、サーボアンプと計装アンプは直流までの非常に低い周波数で動作します。アンプは、信号チェーン内の物理的な配置によっても分類できます。たとえば、プリアンプは他の信号処理ステージの前にある場合があります^[5]。一方、パワーアンプは通常、他のアンプステージの後に使用され、信号の最終的な使用に十分な出力電力を提供します。増幅できる最初の実用的な電気機器は、1906 年にLee De Forestによって発明された三極 真空管であり、これが 1912 年頃に最初の増幅器の誕生につながりました。今日では、ほとんどの増幅器はトランジスタを使用しています。

増幅できる最初の実用的な装置は、1906年にリー・ド・フォレストによって発明された三極 真空管であり、1912年頃に最初のアンプが誕生しました。真空管は、1960年代から1970年代にかけてトランジスタに取って代わられるまで、ほぼすべてのアンプで使用されていました。今日では、ほとんどのアンプでトランジスタが使用されていますが、一部の用途では真空管が引き続き使用されています。

1876年に初めて特許を取得した電話という音声通信技術の発達により、電気信号の振幅を増大させ、信号の伝送距離をますます長くする必要が生じました。電信では、この問題は、信号記録装置と送信機を背中合わせに操作してリレーを形成し、各中間局のローカルなエネルギー源が次の伝送区間に電力を供給することで、消散したエネルギーを補充する中間局の中間装置によって解決されていました。双方向の送受信を行う二重伝送については、CF Varleyの電信伝送の研究を皮切りに、双方向リレー中継器が開発されました。二重伝送は電話通信に不可欠であり、1904年にAmerican Telephone and Telegraph CompanyのHE Shreeveが、背中合わせのカーボン粒子送信機と電気力学受信機のペアで構成される電話中継器を構築する既存の試みを改良するまで、問題は満足のいく解決には至りませんでした。^[6]シュリーブ中継器は、ボストンとマサチューセッツ州エイムズベリー間の線路で最初にテストされ、より改良された装置がしばらく使用されました。世紀の変わり目以降、負抵抗水銀ランプが増幅できることがわかり、中継器でも試されましたが、あまり成功しませんでした。^[7]

1902年頃に始まった熱電子管の開発により、完全に電子的に信号を増幅する方法が実現した。このような装置の最初の実用的なバージョンは、1906年にリー・ド・フォレストが発明したオーディオン 三極管であり、^{[8] [9] [10]、}これが1912年頃に最初の増幅器につながった。^[11] 信号を増幅するために広く使用されていた唯一の装置は電信システムで使用されるリレーであったため、増幅真空管は最初は電子リレーと呼ばれていた。^{[12] [13] [14] [15]}増幅器と増幅という 用語は、ラテン語のamplificare（拡大する、拡張する）に由来し、 ^[16]、三極管が普及した1915年頃にこの新しい機能に対して初めて使用された。^[16]

増幅用真空管は電気技術に革命をもたらした。^[11]真空管 は長距離電話回線、拡声システム、ラジオ放送、トーキー映画、実用的なオーディオ録音、レーダー、テレビ、そして最初のコンピュータを可能にした。50年間、事実上すべての民生用電子機器は真空管を使用していた。初期の真空管アンプは正帰還（再生）を備えていることが多く、ゲインは増加するがアンプが不安定になり、発振しやすくなる。アンプの数学的理論の多くは、1920年代から1940年代にかけてベル電話研究所で開発された。初期のアンプの歪みレベルは高く、通常5％程度であったが、1934年にハロルド・ブラックが負帰還を開発すると、歪みレベルは大幅に減少したが、ゲインは低下した。増幅理論の他の進歩は、ハリー・ナイキストとヘンドリック・ウェイド・ボードによってなされた。^[17]

真空管は、磁気増幅器やアンプリダインなどの特殊な電力装置を除けば、40年間事実上唯一の増幅装置であった。電力制御回路は、電力半導体デバイスがより経済的になり、動作速度が速くなる20世紀後半まで、磁気増幅器を使用していた。古いシュリーブ電気音響カーボン中継器は、1950年代にトランジスタによってより小型で高品質の増幅器が提供されるまで、聴覚障害者用の電話加入者セットの調整可能な増幅器に使用されていた。^[18]

最初に機能したトランジスタは、1947年にベル研究所でジョン・バーディーンおよびウォルター・ブラッテンによって発明された点接触型トランジスタであり、その後、ウィリアム・ショックレーが1948年にバイポーラ接合トランジスタ（BJT）を発明した。その後、1959年にベル研究所でモハメド・M・アタラおよびダウォン・カーンが金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）を発明した。MOSFETのスケーリング、つまりますます小さなサイズにスケールダウンする能力により、MOSFETはそれ以来最も広く使用される増幅器となった。^[19]

1960 年代から 1970 年代にかけて、かさばる電子管がトランジスタに置き換えられたことで、電子工学に革命が起こり、 1954 年に開発されたトランジスタ ラジオなど、さまざまなポータブル電子機器が実現しました。今日では、真空管の使用は、ラジオ送信機、一部の楽器、高級オーディオファン向けアンプなど、一部の高出力アプリケーションに限定されています。

1970 年代以降、ますます多くのトランジスタが 1 つのチップに接続されるようになり、集積回路の集積度 (小規模、中規模、大規模など)が高まりました。現在市販されているアンプの多くは、集積回路に基づいています。

特殊な目的のために、他の能動素子が使用されてきた。たとえば、衛星通信の初期には、パラメトリック増幅器が使用されていた。コア回路は、ローカルで生成された RF 信号によって静電容量が変化するダイオードであった。特定の条件下では、この RF 信号は、地球局で受信された非常に弱い衛星信号によって変調されたエネルギーを提供した。

20 世紀後半以降のデジタル エレクトロニクスの進歩により、デジタル スイッチングを使用して固定振幅信号のパルス形状を変化させることにより、従来の線形ゲイン アンプに代わる新しい選択肢が提供され、クラス D アンプなどのデバイスが誕生しました。

原理的には、アンプは、入力ポートに適用された信号の複製であるが、大きさが増大した信号を出力ポートで生成する 電気的な2 ポート ネットワークです。

入力ポートは、電流を流さずに出力がポートにかかる電圧に比例する電圧入力、または電圧を流さずに出力がポートを流れる電流に比例する電流入力として理想化できます。出力ポートは、ソース抵抗がゼロで出力電圧が入力に依存する従属電圧源、またはソース抵抗が無限大で出力電流が入力に依存する従属電流源として理想化できます。これらの選択肢の組み合わせにより、4 種類の理想的な増幅器が生まれます。^[5]理想化された形式では、図に示すように、線形解析で使用される 4 種類の従属ソースのそれぞれによって表されます。

理想的な形態の各タイプの増幅器は、対応する従属ソースと同じ理想的な入力抵抗と出力抵抗を持つ：^[20]

実際のアンプでは理想的なインピーダンスを実現することは不可能ですが、これらの理想的な要素を使用して、入力と出力にインピーダンス（抵抗、容量、インダクタンス）を追加することで、実際のアンプの等価回路を構築できます。特定の回路では、実際のインピーダンスを見つけるために小信号解析がよく使用されます。小信号ACテスト電流I _xが入力または出力ノードに適用され、すべての外部ソースがACゼロに設定され、テスト電流源全体の対応する交流電圧V _xによって、そのノードで見られるインピーダンスがR = V _x / I _xとして決定されます。^[21]

伝送線路の入力と出力に接続するように設計されたアンプ、特にRFアンプは、この分類方法には当てはまりません。電圧や電流を個別に処理するのではなく、理想的には、伝送線路インピーダンスに一致する入力または出力インピーダンス、つまり電圧と電流の比率に一致する入力または出力インピーダンスと結合します。多くの実際のRFアンプはこの理想に近いものです。適切なソースおよび負荷インピーダンスが与えられている場合、RFアンプは電圧または電流を増幅するものとして特徴付けることができますが、基本的には電力を増幅します。^[22]

アンプの特性は、以下のパラメータによって決まります。

• ゲイン、出力信号と入力信号の大きさの比
• 帯域幅、有用な周波数範囲の幅
• 効率、出力電力と総消費電力の比率
• 直線性、高振幅入力と低振幅入力における入力振幅と出力振幅の比率が同じである程度
• ノイズ、出力に混入す​​る不要なノイズの尺度
• 出力ダイナミックレンジ、最大有効出力レベルと最小有効出力レベルの比
• スルーレート、出力の最大変化率
• ステップ応答を特徴付ける立ち上がり時間、整定時間、リンギング、オーバーシュート
• 安定性、自己振動を回避する能力

増幅器は、入力、出力、およびそれらの関係の特性に応じて説明されます。^[23]すべての増幅器にはゲインがあります。ゲインは、出力信号のある特性の大きさを入力信号の特性に関連付ける乗算係数です。ゲインは、出力電圧と入力電圧の比 (電圧ゲイン)、出力電力と入力電力の比 (電力ゲイン)、または電流、電圧、電力の組み合わせとして指定できます。多くの場合、変化する出力の特性は入力の同じ特性に依存するため、ゲインは単位がありません (ただし、多くの場合はデシベル(dB) で表されます)。

ほとんどのアンプは線形に設計されています。つまり、通常の入力レベルと出力信号に対して一定のゲインを提供します。アンプのゲインが線形でない場合、出力信号が歪む可能性があります。ただし、可変ゲインが便利な場合もあります。特定の信号処理アプリケーションでは、指数ゲインアンプが使用されます。^[5]

アンプは通常、ラジオやテレビの 送信機や受信機、ハイファイ(「Hi-Fi」) ステレオ機器、マイクロコンピュータやその他のデジタル機器、ギターやその他の楽器のアンプなど、特定の用途で適切に機能するように設計されています。すべてのアンプには、真空管やトランジスタなどのアクティブ デバイスが少なくとも 1 つ含まれています。

負帰還は、帯域幅の拡大、歪みの低減、ゲインの制御のために、ほとんどの最新アンプで使用されている手法です。負帰還アンプでは、出力の一部がフィードバックされ、逆位相で入力に追加され、入力から減算されます。主な効果は、システム全体のゲインが減少することです。ただし、歪みなど、アンプによってもたらされる不要な信号もフィードバックされます。これらは元の入力の一部ではないため、逆位相で入力に追加され、入力から減算されます。このように、負帰還は、アンプによってもたらされる非線形性、歪み、およびその他のエラーも削減します。負帰還を大量に使用すると、アンプ自体の応答がゲインが大きい限りほとんど無関係になるまでエラーを削減でき、システムの出力パフォーマンス (「クローズドループ パフォーマンス」) は、フィードバック ループ内のコンポーネントによって完全に定義されます。この手法は、特にオペアンプで使用されます。

非帰還アンプは、オーディオ周波数信号に対して約 1% の歪みしか実現できません。負帰還を使用すると、歪みは通常 0.001% まで低減できます。ノイズ、さらにはクロスオーバー歪みも実質的に排除できます。負帰還は、温度の変化やゲイン ステージの劣化または非線形コンポーネントも補正しますが、フィードバック ループのコンポーネントの変化や非線形性は出力に影響します。実際、出力を定義するフィードバック ループの機能は、アクティブ フィルター回路の作成に使用されます。

負帰還のもう 1 つの利点は、アンプの帯域幅が拡張されることです。オペアンプでは、フィードバックの概念を使用して、フィードバック ループ内のコンポーネントに基づいてゲイン、帯域幅、およびその他のパラメータを正確に定義します。

アンプの各ステージに負帰還を適用することで、電源電圧やデバイス特性のわずかな変化に対してアクティブデバイスの 動作点を安定させることができます。

正または負のフィードバックは避けられず、多くの場合望ましくありません。これは、たとえば、トランジスタなどのデバイスの入力と出力間の固有の容量や、外部配線の容量結合などの寄生要素によって発生します。周波数に依存する過度の正のフィードバックは寄生振動を引き起こし、アンプを発振器に変えることがあります。

すべてのアンプには、何らかの形のアクティブ デバイスが含まれています。これは、実際の増幅を行うデバイスです。アクティブ デバイスには、真空管、単一のトランジスタなどの個別のソリッド ステート コンポーネント、またはオペアンプなどの集積回路の一部が含まれます。

トランジスタアンプ (またはソリッド ステート アンプ) は、現在使用されている最も一般的なタイプのアンプです。トランジスタはアクティブ要素として使用されます。アンプのゲインは、トランジスタ自体の特性と、トランジスタが内蔵されている回路によって決まります。

トランジスタ アンプにおける一般的なアクティブ デバイスには、バイポーラ接合トランジスタ(BJT) と金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET) があります。

アプリケーションは多数あります。一般的な例としては、家庭用ステレオや拡声システムのオーディオアンプ、半導体装置用の RF 高電力生成、無線送信機などの RF およびマイクロ波アプリケーションなどがあります。

トランジスタベースの増幅は、さまざまな構成を使用して実現できます。たとえば、バイポーラ接合トランジスタは、共通ベース、共通コレクタ、または共通エミッタ増幅を実現できます。MOSFET は、共通ゲート、共通ソース、または共通ドレイン増幅を実現できます。各構成には異なる特性があります。

真空管増幅器（チューブアンプまたはバルブアンプとも呼ばれる）は、能動素子として真空管を使用する。低電力用途では半導体増幅器が真空管増幅器に大きく取って代わったが、レーダー、対抗手段、通信機器などの高電力用途では真空管増幅器の方がはるかにコスト効率が良い。マイクロ波増幅器の多くは、クライストロン、ジャイロトロン、進行波管、交差磁場増幅器などの特別に設計された真空管増幅器であり、これらのマイクロ波バルブは、マイクロ波周波数で固体素子よりもはるかに大きな単一素子出力を提供する。^{[24]真空管は、「}真空管サウンド」 が好まれるため、一部の高級オーディオ機器や楽器用アンプで引き続き使用されている。

磁気増幅器は変圧器に似た装置で、一方の巻線を使用して磁気コアの飽和を制御し、もう一方の巻線のインピーダンスを変更します。^[25]半導体増幅器の開発により、磁気増幅器はほとんど使用されなくなりましたが、放射能の影響を受けないため、 HVDC制御や原子力制御回路ではまだ有用です。

負性抵抗はトンネルダイオード増幅器などの増幅器として使用することができる。^{[26] [27]}

パワーアンプは、主に負荷に供給される電力を増やすために設計されたアンプです。実際には、アンプの電力ゲインは、ソースと負荷のインピーダンス、および固有の電圧と電流のゲインによって決まります。無線周波数(RF) アンプの設計では通常、インピーダンスが電力転送用に最適化されますが、オーディオおよび計装アンプの設計では通常、入力と出力のインピーダンスが最適化され、負荷が最小になり、信号の完全性が最大になります。ゲインが 20 dB であると言われるアンプは、電圧ゲインが 20 dB で、使用可能な電力ゲインが 20 dB (電力比 100) よりはるかに大きい場合がありますが、たとえば、入力が 600 Ω のマイクで、出力がパワーアンプの 47  kΩ入力ソケットに接続されている場合、実際に供給される電力ゲインははるかに低くなります。一般に、パワーアンプは、信号チェーン (出力段) 内の最後の「アンプ」または実際の回路であり、電力効率に注意を払う必要があるアンプ段です。効率を考慮すると、出力トランジスタまたは真空管の バイアスに基づいてさまざまなクラスのパワーアンプが生まれます。以下のパワーアンプのクラスを参照してください。

オーディオ パワー アンプは、通常、スピーカーを駆動するために使用されます。多くの場合、2 つの出力チャンネルがあり、それぞれに等しい電力を供給します。RFパワー アンプは、無線送信機の最終段階にあります。サーボ モーター コントローラーは、制御電圧を増幅して、モーターの速度やモーター システムの位置を調整します。

オペアンプは、通常、非常に高いオープン ループ ゲインと差動入力を持つ増幅回路です。オペアンプは、その汎用性により、回路内の標準化された「ゲイン ブロック」として広く使用されるようになりました。オペアンプのゲイン、帯域幅、その他の特性は、外部回路を介したフィードバックによって制御できます。この用語は現在、集積回路によく使用されますが、オペアンプの元の設計では真空管が使用され、その後の設計では個別のトランジスタ回路が使用されました。

完全差動アンプはオペアンプに似ていますが、差動出力も備えています。これらは通常、BJTまたはFET を使用して構築されます。

これらは、バランス伝送ラインを使用して個々のシングル ステージ アンプを分離し、その出力は同じ伝送ラインによって合計されます。伝送ラインはバランス型で、入力はバランス伝送ラインの一方の端と一方の側のみにあり、反対側の出力もバランス伝送ラインの反対側にあります。各ステージのゲインは、カスケード構成のように一方が他方に乗算されるのではなく、出力に直線的に加算されます。これにより、同じゲイン ステージ要素を使用しても実現できるよりも高い帯域幅を実現できます。

これらの非線形アンプは線形アンプよりもはるかに高い効率を持ち、消費電力の節約が複雑さの増加を正当化する場合に使用されます。クラス D アンプは、このタイプの増幅の主な例です。

負性抵抗アンプは、トランジスタのソースとゲート間のフィードバックを使用して、トランジスタのソースの容量性インピーダンスをゲートの負性抵抗に変換できる再生アンプの一種です。他の種類のアンプと比較して、負性抵抗アンプは、非常に高いゲインを達成するためにわずかな電力しか必要とせず、同時に良好なノイズ指数を維持します。

ビデオアンプはビデオ信号を処理するように設計されており、ビデオ信号がSDTV、EDTV、HDTV 720p、1080i/pなどであるかに応じて帯域幅が異なります。帯域幅の仕様自体は、使用されているフィルターの種類と、帯域幅が測定されるポイント（たとえば、 -1 dBまたは-3 dB）によって異なります。許容できるテレビ画像を得るには、ステップ応答とオーバーシュートに関する特定の要件が必要です。^[28]

進行波管増幅器（TWTA）は、低いマイクロ波周波数での高出力増幅に使用されます。通常、広範囲の周波数スペクトルにわたって増幅できますが、通常はクライストロンほど調整可能ではありません。^[29]

クライストロンは、ミリ波およびサブミリ波の高出力、広範囲に調整可能な増幅を提供するように設計された特殊な線形ビーム真空装置です。クライストロンは大規模な操作用に設計されており、TWTA よりも帯域幅が狭いにもかかわらず、基準信号をコヒーレントに増幅し、その出力の振幅、周波数、位相を正確に制御できるという利点があります。

シリコン短チャネルMOSFETなどの固体デバイス、例えば二重拡散金属酸化膜半導体（DMOS）FET、GaAs FET、SiGeおよびGaAsヘテロ接合バイポーラトランジスタ/HBT、HEMT、IMPATTダイオードなどは、特にワットオーダーの低マイクロ波周波数および電力レベルで使用され、特にサイズと効率が重要となる携帯型RF端末/携帯電話やアクセスポイントなどの用途で使用されています。窒化ガリウム（GaN）やシリコン上またはシリコンカーバイド/SiC上のGaNなどの新素材が、HEMTトランジスタや、効率の向上、広帯域、数GHzから数十GHzでの動作、数ワットから数百ワットの出力電力が求められる用途で登場しています。^{[30] [31]}

アンプの仕様とサイズ要件に応じて、マイクロ波アンプはモノリシックに統合された形で、モジュールとして統合された形で、または個別の部品に基づいて、あるいはそれらの任意の組み合わせとして実現できます。

メーザーは非電子マイクロ波増幅器です。

楽器用アンプは、ギターなどの楽器の演奏中に音量を上げるために使用されるオーディオパワーアンプの一種です。アンプの音色は、主にEQと歪みを適用する順序と量によって決まります。^[32]

アンプの分類の 1 つは、どのデバイス端子が入力回路と出力回路の両方に共通であるかに基づいています。バイポーラ接合トランジスタの場合、3 つのクラスは共通エミッタ、共通ベース、共通コレクタです。電界効果トランジスタの場合、対応する構成は共通ソース、共通ゲート、共通ドレインです。真空管の場合、対応する構成は共通カソード、共通グリッド、共通プレートです。

共通エミッタ（または共通ソース、共通カソードなど）は、ベースとエミッタの間に印加される電圧を増幅するように構成されることが最も多く、コレクタとエミッタの間で取得される出力信号は、入力に対して反転されます。共通コレクタ構成では、ベースとコレクタの間に入力電圧を印加し、エミッタとコレクタの間で出力電圧を取得します。これにより負帰還が発生し、出力電圧は入力電圧に従う傾向があります。この構成は、入力が高インピーダンスを示し、電圧増幅が 1 未満であっても信号源に負荷をかけないためにも使用されます。したがって、共通コレクタ回路は、エミッタ フォロワ、ソース フォロワ、またはカソード フォロワとしてよく知られています。

出力が入力側にフィードバックを示さない増幅器は「単方向」と呼ばれます。単方向増幅器の入力インピーダンスは負荷に依存せず、出力インピーダンスは信号源インピーダンスに依存しません。^[33]

フィードバックを使用して出力の一部を入力に接続するアンプは、バイラテラルアンプです。バイラテラル アンプの入力インピーダンスは負荷によって決まり、出力インピーダンスは信号源インピーダンスによって決まります。すべてのアンプはある程度バイラテラルですが、ほとんどの目的で無視できるほどフィードバックが小さい動作条件下では、分析を簡素化するために、片側としてモデル化されることがよくあります (例については、共通ベースの記事を参照してください)。

アンプを分類する別の方法は、入力信号と出力信号の位相関係によるものです。「反転」アンプは、入力信号と 180 度位相がずれた出力を生成します (つまり、オシロスコープで見られるように、極性が反転するか、入力の鏡像になります)。「非反転」アンプは、入力信号波形の位相を維持します。エミッタ フォロワは非反転アンプの一種で、トランジスタのエミッタの信号が入力信号に追従している (つまり、ゲインは同一だが、オフセットがある可能性がある) ことを示します。電圧フォロワも、ゲインが同一である非反転タイプのアンプです。

この説明は、アンプの単一ステージ、または完全なアンプ システムに適用できます。

その他のアンプは、機能または出力特性によって分類される場合があります。これらの機能の説明は通常、完全なアンプ システムまたはサブシステムに適用され、個々のステージに適用されることはほとんどありません。

• サーボアンプは、出力を必要なレベルでアクティブに制御するための統合フィードバック ループを示します。DCサーボは、オーディオまたは RF 信号の急激な変動が発生しない DC レベルまでの周波数での使用を示します。これらは、機械式アクチュエータ、または一定の速度またはトルクを維持する必要があるDC モーターなどのデバイスでよく使用されます。ACサーボアンプは、一部の AC モーターでこれを実行できます。
• 線形アンプは、異なる周波数成分に独立して応答し、高調波歪みや相互変調歪みを生成しません。完全な線形性を提供するアンプは存在しません (最も線形なアンプでも、ある程度の非線形性があります。これは、増幅デバイス (トランジスタや真空管)が二乗則などの非線形べき乗則に従い、それらの影響を軽減するために回路技術に依存しているためです)。
• 非線形アンプは大きな歪みを生成し、高調波成分を変化させます。これが役立つ状況があります。意図的に非線形伝達関数を提供するアンプ回路には、次のものがあります。
  • シリコン制御整流器やスイッチとして使用されるトランジスタなどのデバイスは、連続的に変化する入力のしきい値に基づいて、ランプなどの負荷を完全にオンまたはオフにするために使用できます。
  • たとえば、アナログ コンピューターの非線形アンプや真の RMS コンバーターは、対数や二乗則などの特殊な伝達関数を提供できます。
  • クラスC RFアンプは、非常に効率的ですが非線形であるため選択できます。このようなアンプの後にいわゆるタンク 同調回路を接続すると、不要な高調波 (歪み) を十分に低減して送信機で使用できるようになります。また、周波数逓倍回路の基本周波数ではなく、より高い周波数に同調回路の共振周波数を設定することで、必要な高調波を選択することもできます。
  • 自動ゲイン制御回路では、弱い放送局を受信して​​いるときに出力振幅がほとんど変わらないように、時間平均振幅によって増幅器のゲインを制御する必要があります。非線形性は、比較的小さな信号振幅が歪み (チャネル間干渉または相互変調) をほとんど受けないように調整され、それでも比較的大きなゲイン制御DC電圧によって変調されるように想定されています。
  • 陽極曲げ検出器、精密整流器、無限インピーダンス検出器（猫のひげ検出器などの非増幅検出器を除く）などの増幅を使用するAM検出器回路、およびピーク検出器回路は、信号の瞬間的な振幅に基づく増幅の変化を利用して、交流入力から直流を導き出します。
  • オペアンプ、コンパレータ、検出器回路。
• 広帯域アンプは、広い周波数範囲にわたって正確な増幅率を持ち、通信システムで中継する信号を増幅するためによく使用されます。狭帯域アンプは、他の周波数を排除して、特定の狭い範囲の周波数を増幅します。
• RFアンプは電磁スペクトルの無線周波数範囲の信号を増幅し、受信機の感度や送信機の出力電力を高めるためによく使用されます。^[34]
• オーディオ アンプはオーディオ周波数を増幅します。このカテゴリは、小信号増幅と、スピーカーの駆動に最適化されたパワー アンプに分かれます。複数のアンプが別個のチャネルまたはブリッジ可能なチャネルとしてグループ化され、さまざまなオーディオ再生要件に対応する場合もあります。オーディオ アンプでよく使用される用語は次のとおりです。
  • プリアンプ(preamp.) には、RIAA イコライゼーションを備えたフォノプリアンプ、またはCCIRイコライゼーション フィルターを備えたテープ ヘッドプリアンプが含まれる場合があります。フィルターまたはトーン コントロール回路が含まれる場合もあります。
  • パワーアンプ（通常はスピーカーを駆動）、ヘッドフォンアンプ、拡声用アンプ。
  • ステレオアンプは 2 つの出力チャンネル (左と右) を意味しますが、この用語は単に「ソリッド」サウンド (3 次元を指す) を意味します。したがって、 4 チャンネルのアンプにはクアドラフォニックステレオが使用されています。5.1 および 7.1 システムは、5 つまたは 7 つの通常の空間チャンネルとサブウーファーチャンネルを備えたホーム シアター システムを指します。
• バッファ アンプ(エミッタ フォロワを含む場合があります) は、ソースから過剰な電流を引き出すデバイス (別のアンプや、照明などのエネルギーを大量に消費する負荷など) に高インピーダンス入力を提供します。ライン ドライバは、長い相互接続ケーブルや干渉を受けやすい相互接続ケーブルに電力を供給するバッファの一種で、ツイスト ペアケーブルを介して差動出力を行う場合もあります。

アンプは、入力、出力、またはステージ間の信号の結合方法によって分類されることがあります。これらのタイプには次のものがあります。

抵抗とコンデンサのネットワークを使用した抵抗容量（RC）結合増幅器

設計上、これらのアンプは、コンデンサが入力信号の DC 成分をブロックするため、DC 信号を増幅できません。RC 結合アンプは、真空管や個別のトランジスタを使用した回路でよく使用されていました。集積回路の時代では、チップ上のトランジスタが数個増えるだけで、コンデンサよりもはるかに安価で小型になりました。

インダクタとコンデンサのネットワークを使用した誘導容量（LC）結合増幅器

この種のアンプは、選択的無線周波数回路で最もよく使用されます。

トランス結合型増幅器。トランスを使用してインピーダンスを整合したり、回路の一部を分離したりする。

トランスは一種のインダクタであるため、LC 結合アンプとトランス結合アンプを区別できないことがよくあります。

インピーダンスおよびバイアス整合部品を使用しない直接結合アンプ

このクラスのアンプは、アノード (出力) 電圧が数百ボルト以上、グリッド (入力) 電圧が数ボルト以下だった真空管の時代には非常に珍しいものでした。そのため、ゲインが DC まで指定されている場合にのみ使用されました (例: オシロスコープ)。現代のエレクトロニクスの分野では、開発者は可能な限り直接結合アンプを使用するように推奨されています。FET および CMOS テクノロジでは、MOSFET のゲートは理論上それ自体に電流を流さないため、直接結合が主流です。したがって、入力信号の DC 成分は自動的にフィルタリングされます。

周波数範囲やその他の特性に応じて、アンプはさまざまな原理に従って設計されます。

DC までの周波数範囲は、この特性が必要な場合にのみ使用されます。直流信号用のアンプは、時間とともにコンポーネントの特性がわずかに変化しやすくなります。アンプの DC 特性の好ましくないドリフトを防止するために、チョッパー安定化アンプなどの特別な方法が使用されます。「DC ブロッキング」コンデンサを追加して、オーディオ アンプから DC およびサブソニック周波数を除去することができます。

指定された周波数範囲に応じて、異なる設計原則を使用する必要があります。MHz 範囲までは、「個別の」プロパティのみを考慮する必要があります。たとえば、端末には入力インピーダンスがあります。

回路内の接続が、指定された最高周波数の波長の 1% を超えると (たとえば、100 MHz では波長が 3 m なので、重要な接続長は約 3 cm になります)、設計特性は根本的に変わります。たとえば、指定された長さと幅のPCBトレースは、選択的またはインピーダンス整合エンティティとして使用できます。数百 MHz を超えると、個別の要素 (特にインダクタ) を使用することが難しくなります。ほとんどの場合、代わりに非常に厳密に定義された形状の PCB トレースが使用されます (ストリップライン技術)。

アンプが処理する周波数範囲は、帯域幅で指定されることがあります(通常、 周波数が指定された帯域幅に達したときに3 dB下がる応答を意味します)。または、下限周波数と上限周波数の間の特定のデシベル数以内の周波数応答を指定することによって指定されることがあります(例: 「20 Hz ～ 20 kHz ± 1 dB」)。

電力増幅器回路（出力段）は、アナログ設計ではクラスA、B、AB、Cに分類され、スイッチング設計ではクラスDとEに分類されます。電力増幅器のクラスは、増幅装置が電流を流す各入力サイクル（導通角）の割合に基づいています。^[35]導通角のイメージは、正弦波信号の増幅から得られます。装置が常にオンの場合、導通角は360°です。各サイクルの半分だけオンの場合、角度は180°です。導通角は、増幅器の電力効率と密接に関係しています。

上に示した実用的なアンプ回路は、中出力のオーディオ アンプのベースになります。この回路は、クラス ABプッシュプル出力段を備え、全体的に負帰還を使用する、現代のアンプに見られる典型的な (ただし大幅に簡略化された) 設計を特徴としています。バイポーラ トランジスタが示されていますが、この設計は FET や真空管でも実現できます。

入力信号は、コンデンサC1 を介してトランジスタ Q1 のベースに結合されます。コンデンサはAC信号を通過させますが、抵抗器R1 と R2 によって確立されたDCバイアス電圧をブロックするため、先行する回路は影響を受けません。Q1 と Q2 は、ロングテール ペアと呼ばれる構成で、差動増幅器(2 つの入力間の差をある定数で乗算する増幅器)を形成します。この構成は、R7 と R8 を介して出力から Q2 に供給される負帰還を便利に使用できるようにするために使用されています。

差動アンプへの負帰還により、アンプは入力と実際の出力を比較できます。Q1 からの増幅信号は、2 番目のステージである Q3 に直接送られます。これは、信号をさらに増幅し、出力ステージ Q4 と Q5 に DC バイアスを提供する共通エミッタステージです。R6 は Q3 の負荷を提供します (より優れた設計では、ここで定電流シンクなどの何らかのアクティブ負荷を使用するでしょう)。ここまでのところ、アンプはすべてクラス A で動作しています。出力ペアは、クラス AB プッシュプル (相補ペアとも呼ばれます) に配置されています。これらは電流増幅の大部分を提供し (静止電流は低く抑えられます)、DC ブロッキング コンデンサ C2 を介して接続された負荷を直接駆動します。ダイオードD1 と D2 は、出力ペアに少量の定電圧バイアスを提供し、クロスオーバー歪みが最小限になるようにそれらを導通状態にバイアスします。つまり、ダイオードは出力段をしっかりとクラス AB モードに押し上げます (出力トランジスタのベース エミッタ ドロップが放熱によって減少すると仮定)。

この設計はシンプルですが、フィードバックが内部で DC からオーディオ範囲を超えて動作するため、動作点が自動的に安定するため、実用的な設計の基礎として適しています。実際の設計では、不要な発振を防ぐために、必要な範囲を超える周波数応答をロールオフする回路要素がさらに追加される可能性があります。また、ここに示すように固定ダイオード バイアスを使用すると、ダイオードが出力トランジスタに電気的にも熱的にも適合していない場合に問題が発生する可能性があります。出力トランジスタがオンになりすぎると、電源からの全電流がこの段階で制限されていないため、トランジスタは簡単に過熱して破損する可能性があります。

出力デバイスを安定させるための一般的な解決策は、通常 1 オーム程度のエミッタ抵抗器をいくつか追加することです。回路の抵抗器とコンデンサーの値の計算は、使用するコンポーネントとアンプの用途に基づいて行われます。

実際のアンプはどれも、理想的なアンプの不完全な実現です。実際のアンプの重要な制限は、アンプが生成する出力が最終的に電源から得られる電力によって制限されることです。入力信号が大きすぎてアンプが再現できない場合、またはデバイスの動作限界を超えると、アンプは飽和して出力をクリップします。電源は出力に影響を与える可能性があるため、設計時に考慮する必要があります。アンプからの出力電力は入力電力を超えることはできません。

アンプ回路は「オープン ループ」パフォーマンスを備えています。これは、さまざまなパラメータ (ゲイン、スルー レート、出力インピーダンス、歪み、帯域幅、信号対雑音比など) によって表されます。多くの最新のアンプは、ゲインを目的の値に維持し、歪みを低減するために負帰還技術を使用しています。負帰還ループには、出力インピーダンスを下げ、スピーカーの共振周波数付近でのスピーカーの動きの電気的減衰を増加させるという意図された効果があります。

定格アンプ出力を評価する場合、適用される負荷、信号の種類 (音声または音楽など)、必要な出力持続時間 (短時間または連続)、必要なダイナミック レンジ (録音されたオーディオまたはライブ オーディオなど) を考慮すると便利です。負荷への長いケーブルを必要とする高出力オーディオ アプリケーション (映画館やショッピング センターなど) では、ソースと負荷にマッチング トランスを使用して、ライン出力電圧で負荷に接続する方が効率的な場合があります。これにより、重いスピーカー ケーブルを長く配線する必要がなくなります。

不安定性や過熱を防ぐためには、ソリッド ステート アンプに適切な負荷がかかっていることを確認する必要があります。ほとんどのアンプには定格最小負荷インピーダンスがあります。

すべてのアンプは電気損失により熱を発生します。アンプは対流または強制空冷によってこの熱を放散する必要があります。熱は電子部品を損傷したり、耐用年数を短縮したりする可能性があります。設計者と設置者は、隣接する機器への熱の影響も考慮する必要があります。

電源の種類によって、バイアスの方法もさまざまです。バイアスとは、アクティブ デバイスが特定の領域で動作するように設定したり、出力信号の DC 成分を電源から得られる最大電圧の中間点に設定したりする手法です。ほとんどのアンプは各ステージで複数のデバイスを使用します。これらのデバイスは通常、極性を除いて仕様が一致しています。極性が反転したデバイスは相補ペアと呼ばれます。クラス A アンプは一般に 1 つのデバイスのみを使用しますが、電源が正と負の両方の電圧を供給するように設定されている場合は、デュアル デバイスの対称設計を使用できます。クラス C アンプは、定義上、単極性電源を使用します。

アンプはゲインを上げるために複数のステージをカスケード接続することがよくあります。これらの設計の各ステージは、そのステージのニーズに合わせて異なるタイプのアンプである場合があります。たとえば、最初のステージはクラス A ステージで、クラス AB プッシュプルの 2 番目のステージに電力を供給し、クラス G 最終出力ステージを駆動することで、各タイプの長所を生かしながら短所を最小限に抑えます。

• 電力付加効率

ウィキメディア・コモンズには、電子増幅器に関連するメディアがあります。

• AES アンプクラスガイド
• 「アンプの構造 - パート 1」(PDF) 。2004 年 6 月 10 日にオリジナル(PDF)からアーカイブされました。 – さまざまなアンプクラスの説明が含まれています
• 「パワーアンプの再発明」(PDF)。2013 年 4 月 3 日にオリジナル(PDF)からアーカイブされました。