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１−５ 基本的な回路２
ここでは、半導体を使用した基本的な回路を説明する。ａ．ダイオード回路
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| ＜図−１．５．１＞ダイオードの構造 |
ダイオードは、上図のようにＰ型半導体とＮ型半導体を組み合わせたＰＮ接合を持つ半導体素子である。
Ｐ型半導体には結晶内に正孔と呼ばれる電子の欠落した穴が存在している半導体であり、Ｎ型半導体には結晶内に電子が余っている半導体である。
ダイオードに電圧を印加すると半導体内の電子と正孔が移動する。アノード側に＋電圧が印加（順方向に電圧印加）されると、電子と正孔がＰＮ接合の方向に移動するため、電子がＰＮ接合を飛び越えて移動することができる。
逆にカソード側に＋電圧を印加（逆方向に電圧印加）すると、電子と正孔がＰＮ接合から離れるため電子がＰＮ接合を飛び越えることができなくなる。
よって、ダイオードは一定の方向にしか電流が流れない。
この性質を利用して、交流電流を直流にする（整流する）ことができる。
※電流と電子の流れについて
電流は電位の高いほう（＋極のほう）から電位の低いほう（−極）へ流れる。
一方、電子は負の電荷を持っているため、電位の低いほう（−極）から電位の高いほう（＋極）に流れる。
この２つを混同しないように気をつける必要がある。
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| ＜図−１．５．２＞ダイオードの整流作用 |
ＰＮ接合を電子が乗り越えるには、ある一定のエネルギーが必要となる。
このときに必要なエネルギーは、Ｓｉ（シリコン）半導体であれば約０．６Ｖであり、この電圧以上印加しないと順方向でも電流が流れない。
この電圧を順方向電圧降下といい、この電圧とダイオードに流れる電流をかけた分だけのエネルギーがダイオードで消費される。
ｂ．トランジスタ回路
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| ＜図−１．５．３＞トランジスタの構造 |
トランジスタは、上図のようにＰＮ接合を２つもつ半導体素子である。
トランジスタの基本的な回路として、下図のような電流増幅回路である。
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| ＜図−１．５．４＞トランジスタの基本的な回路 |
トランジスタは、ベースに流れる電流によりコレクタに流れる電流を制御できる。
ベースに流れる電流の数十〜数百倍の電流がコレクタに流れる電流となる（電流増幅）。
また、通常動作している範囲ではベース電流とコレクタ電流の比はほぼ一定である。
この電流比を電流増幅率（ｈFE）という。
Ｉc＝Ｉb・ｈFE ［Ａ］
となる。
トランジスタはＰＮ接合があるため、ダイオードと同じく順方向電圧降下が存在する。
よって、Ｂ−Ｅ間の電圧が順方向電圧降下の電圧以下であればベース電流は流れない。
そのため、ベース電圧がＰＮ接合の順方向電圧降下以下ではトランジスタはＯＦＦの状態（トランジスタには電流が流れない状態）となる。
また、ベース電圧は、トランジスタがＯＮ状態であると順方向電圧降下の電圧となる。
ｃ．ＯＰアンプ回路
ＯＰアンプ［Operational Amplifier］は、数個の外付け部品により比較的簡単にアナログ回路を組むことができるＩＣである。
ここではＯＰアンプの基本的な回路を説明する。
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| ＜図−１．５．５＞ＯＰアンプ |
ＯＰアンプは、上図のように表す。
ＯＰアンプは反転入力（−入力）と非反転入力（＋入力）と出力がある。
ＯＰアンプには、通常＋／−電源が必要になる。
ＯＰアンプの基本動作は、非反転入力の電圧Ｖin-と反転入力の電圧Ｖin+の差を増幅してＶOUTに出力する。
ＶOUT＝（Ｖin+−Ｖin-）・Ａ0 ［Ｖ］ Ａ0：ＯＰアンプのオープンループゲイン
ＯＰアンプのゲイン（オープンループゲイン：Ａ0）は、10000以上ある。
計算をする上では、入力インピーダンスが∞、出力インピーダンスが０、Ａ0が∞の理想アンプで計算すると簡単である。
ただし、外付け部品によっては、入出力インピーダンスやＡ0が無視できない場合があるので、注意が必要である。
ｉ．非反転増幅回路
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| ＜図−１．５．６＞非反転増幅回路 |
上図は非反転増幅回路である。（電源は省略してある）
この回路は入力電圧を外付けの抵抗２個で決めたゲインで増幅した電圧を出力する。
反転入力に出力の一部をフィードバック（帰還）することにより、ゲインをコントロールすることができる。
出力電圧ＶOUTは、
ＶOUT＝（Ｖin+−Ｖin-）・Ａ0
＝（Ｖin−Ｒ1／（Ｒ1＋Ｒ2）・ＶOUT）・Ａ0
これより、
ＶOUT＝１／（１／Ａ0＋Ｒ1／（Ｒ1＋Ｒ2））・Ｖin
ここで、Ａ0＝∞とすると、１／Ａ0＝０より、
ＶOUT＝（Ｒ1＋Ｒ2）／Ｒ1・Ｖin
＝（１＋Ｒ2／Ｒ1）・Ｖin ［Ｖ］
となる。
非反転回路では上式を見て分かるように、ゲインを０ｄＢ（入力＝出力）以下にすることができない。
ii．反転増幅回路
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| ＜図−１．５．７＞反転増幅回路 |
上図は反転増幅回路である。（電源は省略してある）
出力電圧は入力電圧と＋／−が反転する。
この回路の場合は、Ｖin+＝Ｖin-となるように動作する。
よって、非反転入力端子は、常に０Ｖになる。このときの非反転入力端子を仮想グランドと呼ぶ。
また、非反転入力端子の入力インピーダンスは∞とすると、Ｒ1とＲ2に流れる電流は等しい。
これより、
Ｖin／Ｒ1＝−ＶOUT／Ｒ2
よって、
ＶOUT＝−Ｒ2／Ｒ1・Ｖin ［Ｖ］
となる。
反転回路は、ゲインを０ｄＢ以下にすることは可能であるが、出力は必ず入力と極性が反転してしまう。
また、入力抵抗値Ｒ１により、入力インピーダンスが変化してしまう欠点がある。
反転増幅回路・非反転増幅回路にはそれぞれ特徴があるので、注意して使用する必要がある。
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