増幅器の取り扱う信号について

質問

電力増幅器について勉強しているものです。
基礎的なことだと思いますが、小信号と大信号の違いがいまいちよくわかりません。
能動素子が取り扱う信号レベルが素子の許容最大レベルに比べて十分小さいときは小信号で、許容最大レベルに近いときは大信号であると今の時点では思っていますが、合ってるか不安ですし、意味もよくわかりません。
なので、小信号と大信号の違いと、それぞれの特徴を教えていただきたいです。
よろしくお願いします。

回答No.5

mototensai

分野でいろいろです。問題は定義でなく、実践的な違いだと思います、オーディオ増幅での考え方がわかり易いと思います。
オーディオの分野では小信号はプリアンプと呼ばれる増幅器が担います。電圧を増幅するだけで、電流はほとんど流れない回路です。このような小信号増幅では、いかにシグナル・ノイズ比（SN比）を良くするかが重要で、電源としては電流は必要としないが、ノイズが少なく電圧の安定度が高いものを必要とします。
　これに対して大信号を扱うのがメインアンプと呼ばれる、電力増幅装置です。、大部分電流を増幅するような装置です。こちらではノイズより信号の歪みが問題となります。電源は出力電流が大きく、内部抵抗が小さい（つまり、出力電流が大きく変動しても電圧がほとんど変化しない）性能が重要です。ノイズはプリアンプほど重要でなく、電圧も対称性に±の電圧を供給するタイプでは、電圧の平均がぶれなければ（つまりプラスとマイナスが対称性に変動するなら）安定性が多少悪くても大きな問題にはなりません。電源の話は、もちろんオーディオに限ったことではありません。
　もう1点、リニア・ノンリニア（線形、非線型という用語は数学では別の意味があるので要注意）を単に飽和の問題で片づけるのはかなり乱暴です。このあたりで一番重要な増幅器の性能として、maximal rate of rise(最大立ち上がり速度)があります。シグナルの微分係数の大きさがどこまで対応可能かという性能です。これにより、シグナルの大きさが大きくなるほど、設計で想定した増幅率が保証される最大の周波数が低くなります。最大周波数以上の周波数では増幅率が低くなります。この結果、いろいろな周波数が混ざったシグナルでは、このmaximal rate of riseの大小により、歪みが生じますが、この値とノイズレベルは相反すると考えて差し支えありません。
　ノイズに関しては、入力インピーダンスも重要で、この値が大きいほどノイズは大きくなるが大きい利点は数多くあります。
　シグナルが歪む、もう一つの原因に位相のずれの問題がありますが、この限られたスペースで総論的に書いても理解していただくのは相当困難です。ここの所は入力インピーダンス共々御自身で勉強していただくことになると思います。各論の質問にはまた個別にお答えしたいと思います。

回答No.4

rabbit_cat

アンプは、理想的には入力をつねに定数倍して出力する（線形）もので
すが、大きな信号が入ってくると飽和してしまうなど実際には線形ではありません。
で、入力と出力の関係が線形だとしても誤差がほとんどなく取り扱える範囲を、小信号
入力と出力の関係が線形ではなくて非線形として扱わなければいけない範囲を、大信号
といってます。
ちなみに、これは弱電（信号を伝える）についての話です。
強電（パワーを伝える）の分野では、また、ちょっと違うでしょう。

補足

ありがとうございます。
なるほど、弱電の場合は線形か非線形かで区別できるのですね。信号が大きくなると高調波が発生して非線形になってしまうと聞いたことがありますがこのときが大信号だったんですね。

ちなみに、強電の分野ではどのように変わるのでしょうか？

回答No.3

tance

確かに曖昧な言葉です。明確な定義はないと思います。

大まかな感覚としては、パワーを問題にする場合は大信号、
情報を問題にする場合は小信号、という分類がしっくり来るように
思います。

その他、ノンリニアが問題にならないような小さい信号を小信号、
ノンリニアが問題になるレベルを大信号、ということもあるかも
しれません。

回答No.2

okazaki0ko

＞　能動素子が取り扱う信号レベルが素子の許容最大レベルに比べて十分小さいときは小信号で、許容最大レベルに近いときは大信号である

先ず、大信号と言う言葉がありません。
小信号という言葉は、素子に対してではなくて最終的に必要なレベルに対して用います。
１０Ｖの信号があったとして、それが機器の要求する電圧に足りなければ増幅しなければなりません。
そのような機器からすれば、１０Ｖは小信号です。

元々、「減衰してしまった（もしくは元々小さい）交流信号を増幅しよう」と言うのが小信号増幅なので、大信号＝大きな交流信号は、「増幅する必要がない」のです。
例として、ＣＤプレイヤーのアナログ出力信号（１Ｖp-p）をスピーカー用に増幅すると言うのがあります。

それに対して、「信号レベルは充分だが電力が足りない」と言うこともあります。
この時の増幅は、電力増幅と言われます。
例として、先のスピーカー用に増幅された信号に電力を与えると言うのがあります。

スピーカーはインピーダンス４～８Ω程度ですが、６Ωのスピーカーを使ったとして、６Ｖの信号を与えると１Ａの電流が流れ、６Ｗになります。
電圧だけを増幅しても電流を供給できなければ電力（パワー）にならないので、信号増幅と電力増幅が必要になります。

※一般的な小信号増幅器は、出力インピーダンスが高いため電力を供給することができない。

お礼

回答ありがとうございます。
大信号という言葉はないことに驚きました。小信号は素子に対してではなくて最終的に必要なレベルに対して使うのですね。例を参考にしたりして、理解していきたいです。

回答No.1

walkingdic

>小信号と大信号の違いがいまいちよくわかりません。

特に一般的に通用する明確な定義はそもそもないです。

あとは個別のケースにおいてそういう言葉が使われているだけです。