This slide explains the basic of the class A, B and C amplifer.

1. Tomomi Research Inc.
RF Power Amplifier Tutorial
Class A, B and C
2016/08/05 (Fri)
Seong-Hun Choe

2. Tomomi Research Inc.
Basic circuit of single-ended Class A, B and C amplifier
2016/8/6
Junction FET
Gate
Drain
Source

3. Tomomi Research Inc.
nFETの
VgsとIdとの関係
2016/8/6
Id
Vgs
Id [mA]
Vgs [V]0
Pinch off voltage or
Threshold voltage Vt
①Vgsが大きな負の値：JFETにピンチオフが発生し、
チャンネルを通して電流が流れない。
②Vgsの負の電圧が小さくなると、チャンネルを通し
て電流(Id)が流れる。
③Vgsの負の電圧が更に小さくなると、チャンネル
が広がり、電流(Id)が増加する。
④ Vgsの電圧が十分大きくなると、チャンネルが広
がり、電流(Id)が増えない。Gateに漏れ出す。
① ②
③
④

4. Tomomi Research Inc.
nFETの
IdとVdsとの関係
2016/8/6
Id
Vds
ドレイン-ソース電圧Vdsがある一定値以上に増え
ると、ドレイン電流Idの値がほとんど変わらず一
定になっている。 Vdsが変化しても、電流値Idが
ほとんど変わらない電流源として動作し、「飽和領
域」と呼ぶ。通常は、この「飽和領域」を使う。

5. Tomomi Research Inc.
N-channel MOSFET
2016/8/6
http://www-inst.eecs.berkeley.edu/~ee40/fa09/lectures/Lec_19.pdf
• Gate Voltageが印加されなかった場合、 SourceとDrainの間には電流が流れない。
• Vgs (Gate-Source電圧)がある値を超えた場合、電子の層が形成され、SourceとDrainの間に電流
が流れる。
• そのVgsをThreshold Voltage（しきい値電圧 Vt)と呼ぶ。

6. Tomomi Research Inc.
線形領域：MOSFET as a Controlled Resistor 1/2
線形領域：抵抗素子のように動作するMOSFET
2016/8/6
Vds
Id
Vds [V]
Id [mA]
Id = 0 if Vgs < Vt
Vgs = 1V >Vt
Vgs = 2V >Vt
傾き=Id/Vds
抵抗のように
（逆数なのでコ
ンダクタンスと
いう）

7. Tomomi Research Inc.
線形領域：MOSFET as a Controlled Resistor 2/2
線形領域：抵抗素子のように動作するMOSFET
2016/8/6
Vds
Id
Vds [V]
Id [mA]
Id = 0 if Vgs < Vt
Vgs = 1V >Vt
Vgs = 2V >Vt
傾き=Id/Vds
抵抗のように
（逆数なのでコ
ンダクタンスと
いう）

8. Tomomi Research Inc.
飽和領域
2016/8/6
Vds
Id
Vgs
• Vdsが増加するすると、チャンネルも大きくなる。
しかし、Drain側のチャンネルは小さくなる。
従って、Idの増加は、Vdsに増加より遅くなる。
• Vdsが (Vgs-Vt)に達した時、(Vds = Vgs – Vt)
チャンネルはドレイン側でくびれ切られ(Pinched off), Idは飽和する。
= Vdsが増加してもIdsは変わらない。
* 要は、Idsは Vdsと関係なくなる。

9. Tomomi Research Inc.
N-MOSFET: Id – Vds 特性
2016/8/6
Vds
Id
Vgs
Pinched off

10. Tomomi Research Inc.
N-MOSFET: Id – Vds 特性
2016/8/6
Vds
Id
Vgs

11. Tomomi Research Inc.
N-MOSFET: Id – Vds 特性
2016/8/6

12. Tomomi Research Inc.
Load line(負荷線)の引き方
2016/8/6
Common-Source Amplifier
Rd*Id
Vdd = Rd*Id + Vds
Id = 1/Rd(Vdd – Vds)

13. Tomomi Research Inc.
Load line(負荷線)の引き方
2016/8/6
Id = 1/Rd(Vdd – Vds)
Vds [V]
Id
[mA]
Y軸切片:Vdd /Rd
傾き=-1/Rd
トランジスタのId-Vds曲線
重ねる
X軸切片:Vdd (電源電圧)

14. Tomomi Research Inc.
Load line(負荷線)の引き方
2016/8/6
Id = 1/Rd(Vdd – Vds)
Vds = Voutに注目

15. Tomomi Research Inc.
中間まとめ : FETの動作
2016/8/6
Vds
Id
Vgs
Step 1: VgsでトランジスタのDrain電流Idを制御 Step 2: VdsとIdの関係

16. Tomomi Research Inc.
中間まとめ : FETの動作
2016/8/6
Vds
Id
Vgs
Step 3: 負荷線によって、動作点が決まる。
Vds（Output電圧）とIds（電流)が決まる。Step 2: VdsとIdの関係

17. Tomomi Research Inc.
中間まとめ : FETの動作
2016/8/6
Vds
Vgs
Vgs : input
Vds : output

18. Tomomi Research Inc.
中間まとめ : FETの動作 (交流の入力の場合)
2016/8/6
RL（負荷）の位置に
注意。 Vgs①
Vgs①
Vgs②
Vgs②
Vgs③
Vgs③
Vgs < Vt以下はトランジスタが
動かないから出力されない。
この絵
だと、
ここが
Vinの
Bias

19. Tomomi Research Inc.
少し前戻し
2016/8/6
電圧の増幅率

20. Tomomi Research Inc.
Tank Circuitの働き(1)
タンク回路の共振周波数と同じ周波数の交流信号の一部をタンク回路に入力すると、タンク回路からは交流信号が全
周期で再生されて出力される。
2016/8/6

21. Tomomi Research Inc.
Tank Circuitの働き(2)
タンク回路の共振周波数と同じ周波数の交流信号の一部をタンク回路に入力すると、タンク回路からは交流信号が全
周期で再生されて出力される。
2016/8/6

22. Tomomi Research Inc.
Class A, B and C
FET入力可能電圧幅と出力可能電圧幅
2016/8/6
-V_HI-V_LI +V_HO+V_LO
(1) –V_LI : ゲート電圧-Vgで制限
される入力信号の電圧下限
(2) -V_HI : FETの特性で制限さ
れる入力電圧の上限
(1) –V_LO : Source電圧Vgで制
限される出力電圧の下限
V_sat
(1) -V_HO :電源電圧Vdで制限
される
Vd_sat

23. Tomomi Research Inc.
Class A, B and C
FET入力可能電圧幅と出力可能電圧幅
2016/8/6
(1) –V_LI : ゲート電圧-Vgで制限
される入力信号の電圧下限
(2) -V_HI : FETの特性で制限さ
れる入力電圧の上限
(1) –V_LO : Source電圧Vgで制
限される出力電圧の下限
V_sat
(1) -V_HO :電源電圧Vdで制限
される

24. Tomomi Research Inc.
Class A
2016/8/6
Class A : -V_LIと-
V_HIの真ん中
-V_HI-V_LI
入力動作点
出力動作点

25. Tomomi Research Inc.
Class B
2016/8/6
Class B : -V_LI
-V_HI-V_LI
入力動作点
出力動作点

26. Tomomi Research Inc.
Class A-B :
2016/8/6
Class AB : -V_LI と
1/2(-V_LI+ -V_HI)
-V_HI-V_LI
入力動作点
出力動作点

27. Tomomi Research Inc.
Class C :
2016/8/6
Class C : -V_LI 以下
-V_HI-V_LI
入力動作点
出力動作点
絵が逆（注意)
点線 ⇔実線

28. Tomomi Research Inc.
Conduction Angle
2016/8/6
1周期(𝜃 = 2𝜋 )の信号が流れるとき、FETがActiveの状態である時間
ここでは、Drain出力を見ればわかりやすい。
Class A (𝜃 = 2𝜋 ) Class B (𝜃 = 𝜋 )
Class AB (𝜋 < 𝜃 < 2𝜋 ) Class C (0 < 𝜃 < 𝜋 )
絵が逆（注意)
点線 ⇔実線

29. Tomomi Research Inc.
Conduction Angle
2016/8/6
1周期(𝜃 = 2𝜋 )の信号が流れるとき、FETがActiveの状態である時間
ここでは、Drain出力を見ればわかりやすい。アンプの効率と直結

30. Tomomi Research Inc.
まとめ
2016/8/6
Class
Max
efficiency
(%)
Power
capability
Mode
Transistor
operation
用途 Pros. Cons.
Class A 50 0.125 Linear
Always
conducting
微弱な信号
の増幅
線形性が良
い。歪が一
番少ない。
効率が悪い
Class B 78.5 0.125 Linear On half cycle
Class Aより
効率が良い
Class Aより
線形性が悪
い。
Class AB 50~78.5 0.125 Linear
Mid
conduction
要はClass A
とBの間
Class Bの線
形性を改善
Class C 86 0.11 Nonlinear On half cycle
大きな
Driving
powerが必
要
High Power
が出せる。
(1kW出すた
めに300Wが
必要）
高調波の発
生

31. Tomomi Research Inc.
Appendix Push-pull : Class B
2016/8/6
概略図
FETの絵がなかったので、BJCで表記。
なぜか、Class B – Push pullは Biopolar
Junction Transistorが多い。
特徴
入力と出力にトランスが
存在
(センタータンプ変圧器)