Amplifier - ZOFUKUKI (English spelling) amplifier

Japanese: 増幅器 - ぞうふくき（英語表記）amplifier

A device that is controlled by an input signal and extracts a signal with a similar, but larger output than the input signal in terms of transmission elements, from a separately prepared energy source. Electrical ones are simply called amplifiers. Amplifiers were made possible by the invention of the vacuum tube, but now, except for large ones, amplifiers that use transistors, FETs (field effect transistors), and ICs (integrated circuits) as active elements are in widespread use. Hydraulic servo systems that use hydraulic pressure to boost mechanical energy are also a type of amplifier.

[Iwao Ishijima]

Principle of Amplification

In an electrical amplifier, the energy source is a DC power source, such as a battery or DC obtained by rectifying an AC power source. The energy source for a hydraulic system is a tank of oil under high pressure. In either case, the amplification effect is achieved by using the energy of the input signal to control the extraction of only the amount needed at each moment from a separately prepared energy source, and extracting it as a large amount of energy. For example, it can be thought of as controlling the energy of a large amount of water stored in a reservoir by raising and lowering a sluice gate. The energy required to raise and lower a sluice gate is not that large, but by doing so, the force of a much larger water flow can be controlled, so in some ways it can be called an amplifier.

In a vacuum tube voltage amplifier, a DC voltage from a DC power source that can extract sufficient power is applied between the anode and cathode, and at the same time, an appropriate negative voltage (bias voltage) is applied to keep the control grid negative with respect to the cathode, so that no large current flows between the anode and cathode. When the signal voltage to be amplified is applied between the grid and the cathode at this time, the conductance (ease of current flow) between the anode and cathode changes, and the current changes in strength according to the voltage of the input signal. Since the anode voltage is supplied through a load resistance, the amount of voltage drop increases or decreases depending on the increase or decrease in current. If the performance of the vacuum tube, load resistance, anode voltage, bias voltage, etc. are adjusted so that this voltage change is greater than the voltage change applied to the control grid, an efficient amplifier can be created. The principle of a power amplifier is similar, but it is necessary to keep the load impedance (resistance to AC) low so that the ratio of input power to output power is as large as possible, use a large vacuum tube to allow a large anode current to flow, and also to increase the capacity of the power supply. Amplifiers that use transistors or ICs work in principle in the same way, but because the supply voltage is lower than that of vacuum tubes, more current is required to obtain the same level of output, resulting in a circuit configuration with low input and output impedance.

[Iwao Ishijima]

kinds

Class A, AB, B, and C amplifiers are available depending on the bias point of the amplifier element. Class A amplifiers with shallow bias points are suitable when you want to increase the voltage ratio of a small signal, and Class B amplifiers are used in push-pull connection (an amplification method in which two amplifier elements are used symmetrically, each dedicated to positive and negative polarity, amplifying each half cycle and then combining them) when you want to further increase the voltage ratio of a signal with a certain level of power. Class C amplifiers are mostly used for power amplification and frequency multiplication in wireless telegraphy (low-speed intermittent carrier waves). Class C amplifiers are ideal for large-scale transmitting equipment where the efficiency of the amplifier is particularly important, as the increase in distortion caused by amplification is not a major problem. Class C has the best amplification efficiency in the order of Class C, Class B, and Class A, but they are used according to the application. Radio waves such as television and multiplex communications occupy a very wide frequency band, so it is necessary for the gain (ratio of input and output) to be constant over the entire spectrum, and this is called a wideband amplifier. On the other hand, narrow-band amplifiers that focus on narrowing the passband width, such as the intermediate frequency amplifiers in short-wave receivers, are also important for improving reception sensitivity and eliminating interference and noise.

In the microwave and higher frequency range, it is difficult to amplify using ordinary vacuum tubes or transistors, so velocity modulation tubes (klystrons) and traveling wave tubes (TW tubes) are used. Parametric amplifiers, which generate very little internal noise, are used for pre-amplification in receiving equipment used in space communications, and when further noise reduction is required, it was common practice to use parametric amplifiers whose amplifying elements are cooled to about -200°C using liquid nitrogen or similar. However, GaAs Schottky barrier FETs (gallium arsenide field effect transistors) with excellent noise figures and high frequency characteristics have appeared, making them practical for use up to 20 GHz, approaching the performance of parametric amplifiers.

[Iwao Ishijima]

[Reference] | Impedance | Conductance | Amplifier circuit | Parametric circuit

Relationship between amplifier (circuit) types and input/output signals
©Shogakukan ">

Relationship between amplifier (circuit) types and input/output signals

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

入力信号によって制御し、別に用意されたエネルギー源から、入力信号と伝達要素について相似で、より大きい出力の信号を取り出す装置をいう。電気式のものは略してアンプという。増幅器は真空管の発明により実現したものであるが、いまや大型のものを除き、ほとんどトランジスタ、FET（電界効果トランジスタ）、およびIC（集積回路）を能動素子とする増幅器が普及している。また、機械的なエネルギーを、油圧を使って増力する油圧サーボ系も増幅器の一種である。

［石島　巖］

増幅の原理

電気的な増幅器ではエネルギー源は直流電源であり、電池や、交流電源から整流して得られる直流を用いる。油圧装置のエネルギー源は高圧を与えた油のタンクである。いずれの場合も増幅作用は、入力信号のエネルギーを、別に用意されたエネルギー源から刻々必要な分だけ取り出す制御に使用して、大きなエネルギーとして取り出すことによって達せられている。たとえば、貯水池に蓄えられている大きな水のエネルギーを、水門を上げ下げすることによって制御するようなものであると考えることができる。水門を上下するエネルギーはそれほど大きくはないが、それを行うことによって、ずっと大きい水流の力を制御することができるから、考え方によっては増幅器ということができよう。

　真空管の電圧増幅器は、十分に電力を取り出しうる直流電源からの直流電圧を陽極と陰極の間に加えておき、同時に制御格子を陰極に対して負に保つように適当な負の電圧（バイアス電圧）をかけ、陽極と陰極間には大きな電流が流れない状態にしておく。このとき、格子、陰極間に増幅すべき信号電圧を加えると、陽極、陰極間のコンダクタンス（電流の流れやすさ）が変化して、電流が入力信号の電圧に応じた強さで変化する。陽極電圧は負荷抵抗を通して供給しているから、電流の増減によって電圧降下量が増減する。この電圧変化量が制御格子に加えた電圧変化量より大きくなるように真空管の性能、負荷抵抗、陽極電圧、バイアス電圧などを整えておけば、能率のよい増幅器ができる。電力増幅器も原理的には同様であるが、入力の電力と出力の電力の比率をできるだけ大きくするように負荷インピーダンス（交流に対する抵抗値）を低くとり、陽極電流を多く流せるように大型の真空管を使用し、電源の容量も大きくすることが必要である。トランジスタやICを使用する増幅器も原理的には同じであるが、真空管に比べて供給電圧が低いため、同程度の出力を得るためには電流を多く流す必要があり、入出力インピーダンスの低い回路構成となる。

［石島　巖］

種類

増幅素子のバイアス点によりA級、AB級、B級、C級という種類がある。小さな信号の電圧比を大きくしたい場合には、バイアス点の浅いA級増幅器が適しており、ある程度大きな電力の信号をさらに大きくしたい場合にはB級増幅器をプッシュプル（増幅素子を対称に2個使用しておのおの正負の極性を専門に受け持ち、半サイクルずつ増幅したあとで合成する増幅法）接続として使用する。無線電信（搬送波の低速度の断続）の電力増幅や周波数逓倍(ていばい)増幅はほとんどC級増幅器である。C級増幅は、増幅によって生じるひずみの増加が大きな問題とならず、増幅器の能率がとくに重要な大型の送信装置の増幅器として最適である。増幅の能率はC級、B級、A級の順によいが、用途に応じて使い分けがされている。テレビジョンや多重通信などの電波は占有周波数帯幅がきわめて広いため、そのスペクトラムの広がり全体にわたって利得（入出力の比）が一定であることが必要であり、これを広帯域増幅器とよんでいる。一方、短波受信機の中間周波増幅器のように通過帯域幅を狭くすることに注意を払った狭帯域増幅器も受信感度の向上、ならびに混信や雑音を除去するために重要である。

　マイクロ波以上の周波数領域では、普通の真空管やトランジスタで増幅することは困難で、速度変調管（クライストロン）や進行波管（TW管）が用いられる。宇宙通信に使われる受信設備の前置増幅には、内部で発生する雑音がきわめて微小なパラメトリック増幅器が使用され、さらに雑音を減らす必要があるときは、液体窒素などで増幅素子を零下200℃程度まで冷却したパラメトリック増幅器を使用するのが常識的であった。しかし、GaAsショットキーバリアFET（ガリウム・ヒ素・電界効果トランジスタ）には雑音指数や高周波特性の優れたものが現れ、20ギガヘルツまでの実用が可能となりパラメトリック増幅器の性能に迫っている。

［石島　巖］

[参照項目] | インピーダンス | コンダクタンス | 増幅回路 | パラメトリック回路

増幅器（回路）の種類と入出力信号の関係

出典　小学館　日本大百科全書(ニッポニカ)日本大百科全書(ニッポニカ)について　情報 | 凡例

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