反転増幅回路の電圧利得が増加すると高域遮断周波数が低下するのはなぜでしょう。

反転増幅回路の電圧利得が増加すると高域遮断周波数が低下するのはなぜでしょう。

No.4 回答者： Bunbuk803 回答日時： 2020/05/20 14:58

半導体トランジスタにせよ真空管にせよ、この手の能動素子は入力が電圧であれ電流であれ、出力側の『電流』を制御することで増幅と言う仕事をしています。

このような素子で電圧利得を得たい、つまり、出力側に電圧で出力信号を得たいとします。
どうしますか？
電流で得られる出力を電圧に変換したいときには。

そうです、抵抗器にその電流を流すんです。
そうすればオームの法則にしたがった電圧降下の形でその抵抗の両端に電圧出力が得られるんです。
その抵抗がグランドにつながれていればそのままグランドとの間に電圧出力が得られます。
直流成分が要らなければ、ホット側とのコンデンサ結合や、何らかの変圧器で引き出します。
コールド側が電源につながっていれば、電源に大容量のバイパスコンデンサを入れて、交流的にはグランドにつながっているように見せかけます。

さて、お尋ねの条件、つまり電圧利得を大きくした場合です。
これは単純に『電流・電圧』変換に使った抵抗を大きくすればできます。

この時いろいろ都合の悪い事が起きます。
この変換抵抗と並列にある見えないキャパシタ、ストレーキャパシタが悪さをします。

出力駆動回路と言えども内部抵抗は持っています。
この抵抗と、その出力のストレーキャパシタとで低域通過（高域阻止）フィルタと言う時定数回路を形成します。
これによって増幅器の広域特性が制限されてしまうのです。

増幅器が低ゲインの時は『電流・電圧』変換抵抗が小さいので、このストレーキャパシタはほとんど影響見せません。
それが抵抗が大きくなると無視できなくなってくるんです。

他にもいろいろ原因はあります。
他の方々も電極間容量のことは話されているので、別な点をお話ししましょう。
トランジスタでの電子の移動度です。

トランジスタは半導体です。
金属ではありません。
そこに由来する一番大きな違い、それは電気伝導をつかさどる電子の多さです。

金属の中には思いっきりたくさんの自由電子が詰まっています。
そこに電池をつないで電流を流したとき、電子の流れはどうなるでしょう。
電流は光の速度で伝わりますね。
では電子は光の速度で電池のマイナスからプラスの端子へ移動したのでしょうか。

違います。
電池のマイナス極から出た電子は、ノコノコした速度で電線に入ります。
ただ、そのとき、電線の中の電子を電池のプラス側に向かってところてんのように押し出すのです。
この押し出される速度が光の速度なのです。

では半導体トランジスタの中ではどうか。
半導体の場合は、本気で電子が移動して行って電流が流れます。
その移動速度のファクターを移動度と言います。

ここでの話題は周波数ですから、信号は交流ですね。
つまり、あるとき＋からーに向かって流れる電流が、次の瞬間には逆になる。
この電流が、トランジスタなどの中ではすべて電子そのものの動きなのです。
周波数が高くなるということは、その変化が激しくなるわけです。
それがトランジスタの外に出れば金属配線で光速で動きますが、トランジスタの中ではそうじゃない。
同じ大きさの素子なら、周波数が高くなるほど素子の中から電子が出てこれなくなるでしょう。
これが半導体の速度、言い換えると動作の上限周波数を決めてます。
周波数が上がるほど働きが鈍ってくるんです。
それを避けるため、高い周波数で使う素子は小さく作ります。
また、半導体内での電子の移動度は半導体素材（混ぜ物）や素子の各部の膜厚、打込むイオン濃度なんかの影響を強く受けます。
そう言ったものを調整して高い周波数でも使える素子を作ります。

図や数式を使わないとこのぐらいの説明しかできないのでカンベンください。
また、ここでお話しした技術はもう２０～３０年も前の技術です。
また、ここでお話しした素子の挙動は、ＯＰアンプなどの内部のトランジスタや抵抗の話しです。
チップの外につながれる回路にも適用できなくはありませんが、たぶんちょっと荒っぽすぎと思います。
今はもっと進んだ手法が使われています。
これを切り口に勉強してみてください。

No.3 回答者： m-jiro 回答日時： 2020/05/20 10:45

OP-AMPでもトランジスタでも周波数が高くなると利得は低下します。

物性論の細かいところは知りませんが、大雑把なことを言えば電極間に存在する静電容量でしょうね。トランジスタのコレクタとベースは隣接しているのでこの間の静電容量を通じて出力が帰還されます。一種の負帰還になります。静電容量ですから周波数が高いほど帰還量は増すのでその分利得は下がります。
またOP-AMPは利得が高い分発振しやすいのですが故意に帰還容量を増やして安定度を稼いでいるものもあります。おなじみのLM358などはこの対策がしてあるので発振することはまずありません。高周波特性は悪くなりますが低速で良い用途では使いやすいです。

どの程度の周波数まで使えるかという指数が GB積 とか BW(帯域幅)といわれる値。単位はHz。利得が 1 になる周波数を示しています。これ以下の周波数では利得は周波数に逆比例します。
例えばGB積が1MHzのOP-AMPだと、100KHzでの利得は10倍になります。1KHzでは1000倍。実際には負帰還を掛けて使いますからこの値以上の利得にはなりません。

>　反転増幅回路の電圧利得が増加すると高域遮断周波数が低下するのはなぜでしょう。
前述の例のように1KHzでは1000倍近い利得が得られても100KHzでは10倍以上にはできません。GB積の限界によって下がったように見えるだけです。
なお高周波特性は反転増幅器だけでなく非反転増幅器も同様な特性を示します。


単体のトランジスタでも同様の特性があります。hfeが 1 になる周波数を fT(トランジェント周波数)と言います。高周波領域でのfheは　fT ÷ 使用周波数　として利得計算をします。

No.2 回答者： hiro2017 回答日時： 2020/05/19 21:34

増幅器は一般的には高い周波数になる程ゲインは落ちます、帰還をかけない

裸利得が一番高いのですが広域までは無理なので帰還をかけてゲインは落ちるが
高い周波数まで広げるようにしています。（高い周波数を入力に戻すのもある、）
生帰還、負帰還があるがここでは帰還と言います。
No1さんの解答が正しいんですが補足をしました。

No.1 回答者： isoworld 回答日時： 2020/05/19 18:53

あくまでも一般論ですが、ＯＰアンプの特性のひとつであるＧＢ積は、ＯＰアンプによって一定です。

Ｇはゲイン（電圧利得）、Ｂはバンド幅（周波数帯域幅）です。Ｇを２倍にするとＢは半分になり、つまり高域遮断周波数は半分のところまで落ちます。