12. CR結合2段増幅回路

CR結合2段増幅回路は、コンデンサ\(C\)と抵抗\(R\)で結ばれた2つの増幅段から構成される回路である。この回路は信号の増幅と周波数の特性を制御するために使用される。CR結合は、直列に接続されたコンデンサと抵抗によって構成され、信号の直流成分を遮断し、交流信号を伝達する。CR結合2段増幅回路の基本的な構成は以下である。
第1段増幅器（入力段）：この段では、入力信号を増幅する。増幅された信号は、直列に接続されたコンデンサ（カップリングコンデンサ）によって次の段に伝達される。コンデンサは、直流成分を遮断し、交流信号を通過させる。
第2段増幅器（出力段）：第1段の出力が、第2段の入力として供給される。この段階でも再び信号が増幅される。出力信号は、同様に直列に接続されたコンデンサによって次の段階に伝達される。
このような構成により、CR結合2段増幅回路は、直流成分を遮断し、交流信号の増幅する。コンデンサと抵抗の値は、回路の特性を調整するために適切に選定する。この回路の基本構成は、特にオーディオアンプやラジオなどの音響機器に広く用いられている。また、テレビやレコーダーなどの放送機器や、オシロスコープや電圧計などの測定機器にも使用される。（実用的にはIC化された部品を使用することが多い。）

CR結合2段増幅回路の例と等価回路

カップリングコンデンサ\(C_1,\;C_2,\;C_3\)、及び、バイパスコンデンサ\(C_{E1},\;C_{E2}\)のリアクタンス（交流的な抵抗成分）を交流に対して０と仮定し、コンデンサと電源\(V_{CC}\)部分を短絡して、BJT部分に簡易等価回路を適用すると図２「CR結合2段増幅回路の簡易等価回路」が得られる。

　図２の等価回路が示すように、１段目の実効負荷抵抗\(R_{L1}\)は見かけ上の負荷抵抗\(R_{C1}\)に２段目のバイアス抵抗\(R_{AB}\)（\(R_{A1},\;R_{A2}\)の並列抵抗）と\(Tr_{2}\)の入力抵抗\(h_{ie2}\)が並列に接続されていることになり、見かけ上の抵抗値より小さくなる。そのため、一般に、増幅回路を次段に接続することで、接続前より増幅度の低下が起こることになる。
１）１段目の増幅度\(A_{v1}\)：１段目の負荷抵抗\(R_{L1}\)は、$$R_{L1} = \frac{1}{\frac{1}{R_{C1}} + \frac{1}{R_{AB}} + \frac{1}{h_{ie2}}} \\ A_{v1} = -\frac{h_{fe1}}{h_{ie1}} R_{L1}$$増幅度の負号は、１段目の出力が入力\(v_i\)に対して逆相になることを示している。
２）２段目の増幅度\(A_{v2}\)：$$R_{L2} = R_{C2} \\ A_{v2} = -\frac{h_{fe2}}{h_{ie2}} R_{L2}$$２段目の入力に対して２段目の出力\(v_o\)が逆相になるから負号がつく。
以上から、回路全体の増幅度\(A_v\)は、$$A_v = A_{v1} A_{v2} = \frac{h_{fe1} h_{fe2}}{h_{ie1} h_{ie2}} R_{L1} R_{L2}$$となる。入力信号\(v_i\)に対して１段目の出力（2段目の入力）が逆位相、さらに２段目の出力で逆相になるため、出力信号\(v_o\)は入力信号と同相になる。
増幅度の式からわかるように、増幅度はBJTの特性\(h_{fe}, \;h_{ie}\)に大きく依存する。しかし、一般に、BJTの特性は個体毎のバラツキが大きく、温度による特性の変動も大きい。そのため、多段増幅回路を使用する場合は、通常、負帰還回路を付加して使用する。負帰還回路については別項で説明する。

LTspiceによる動作シミュレーション

表１に各素子の設計値を示す。なお、BJT（\(Tr_1,\; Tr_2\)）には小信号用の2N2222（2SC1815の代替品）を使用する。これらの設計値を基にして、LTspiceにより動作のシミュレーションを行う。

$$R_{B1}：120 \; k\Omega$$	$$R_{B2}：27 \;k\Omega$$	$$R_{C1}：10\;k\Omega$$	$$R_{E1}：2.2\;k\Omega$$	$$C_1：10\;\mu F$$	$$C_{E1}：220\;\mu F$$
$$R_{A1}：47 \; k\Omega$$	$$R_{A2}：8.2 \;k\Omega$$	$$R_{C2}：4.7\;k\Omega$$	$$R_{E2}：1\;k\Omega$$	$$C_2：10\;\mu F$$	$$C_{E2}：220\;\mu F$$
$$C_3：10\;\mu F$$	$$Tr_1,\;Tr_2：2N2222\\（2SC1815代替品）$$	$$V_{CC}：12\;V$$	$$R_L：1\;M \Omega$$