（第12回）インスツルメンツの歴史 計測と制御の機器を中心に正帰還から負帰還回路へ
松 本 栄寿いまでは負帰還（ネガティブフィードバック）― 1964）が 1912 年に発明したが、ド・フォレストという言葉になんの違和感も覚えない。しかし、（de ― Forest）、フランクリン（Charles Franklin、なんと不思議な回路なのだろうか。せっかく真空1876 ― 1958）も、それぞれ発明にかかわった。

管やトランジスタを使って増幅するのに、その増このような再生回路は 1950 年代までは、日本幅度を制限してしまう。そこに至るまではどんなのラジオの大部分に使われていた。図１の再生バ道筋があったろうか。

リコンを受信者が加減して感度の一番良い点を選ぶのだが、帰還量を多くするとピーピーと音がし正帰還増幅器（再生検波回路）て発振器になってしまい、近隣のラジオに妨害を前回フレミングの発明による二極管検波回路、あたえる欠点があった。

ド・フォレストの発明した三極管を使った検波回一本の真空管を徹底的に利用しようとするアイ路にふれた。真空管が使われはじめた頃は、なにデアはまだあった。この再生回路の発振を制御ししろ真空管は高価であった。できるだけ少ない真ようとしたのが、超再生回路である。これは発振空管で回路の増幅度を上げようと、さまざまな回しようとするのをときどきブロックするように工路が工夫された。

夫された回路で、主として超短波の受信器に使わ再生検波器と呼ばれる回路は、検波管のプレーれた。また、高周波増幅と低周波増幅を一本の真ト側から検波された高周波の一部を同調回路に送空管でやってしまおうとのアイデアもあった。レ

り返して、受信器を発振しかかりの状態にする方フレックス方式といって、高周波増幅器つきのラ式である。そうすると受信器の感度が向上し、選ジオで、検波したオーディオ信号をもう一度高周択度も良くなることを発見した。正帰還方式であ波増幅段に戻してオーディオ増幅もしようとしる。アームストロング（Edwin Armstrong、1890た。いずれにしてもきわどい技術である。

電話のレピーター高周波検波された高周波

音声電流

真空管の発明は、電話に使われる音声の増幅を可能にしたが、さらに高性能の増幅器を求めだしたのは中距離電話網であった。とくにアメリカは再生コイル

東海岸と西海岸 3500 キロを超える大陸横断電話線の実現を目指していた。電信と違い電話は継電器リレーでは中継できない、ある距離ごとに電話

再生バリコン
同調バリコン

信号を増幅してやるレピーターが必要になった。
B+

継器レピーターに使う試みがはじめられベル研究

同調コイル
音声電圧

図１72

発明されたばかりの三極真空管から、高性能な中再生検波回路（正帰還回路）ラジオ受信機に使われた。

所はそれを目指した。
しかし肝心の真空管の性能のバラツキが大きかった。また寿命も有限であった。長時間メンテナ
オートメーションインスツルメンツの歴史

ンスなしに動作する安定な電話中継器はできないか、手をかけずに安定に動作する方法はクロストーク・アンプないか、そこで生まれたのがブラックの負帰還回路である。
一説には、なんとも無茶な話だが、長距離電話網で、「真空管が切れても動くレピータ

N1Nーを作れ」との要請であったと言われる。ブラックはそれに応えた。
現在では、負帰還回路はどんな電子回路、プッシュプルレピーターW

IC の中にも、宇宙のかなたに使われる通信機器でも、人の健康を監視する医療機器にも、家庭のテレビにも、デジカメにも、負帰還回路が使われている。目立たないが内部にもぐり込んでいる。あるいは負帰還回路は、20世紀電子回路の最大の発明はかもしれない。

図２

プッシュプル増幅フォワード補償レピータ
上部はクロストークアンプ
下部はプッシュプルレピーター

発明者、ハロルド・ブラック（Harold S.
Black、1898 ― 1983）はエジソンと同様な、早くかャネルアンプの直線化、安定化の取り組みに着手

ら家計のために働き苦学して、のちウォーチェスしたブラックは、いろいろな資料を調べた結果、タ・ポリテクニークに学んだ人物である。真の発超高性能な増幅器が必要だとわかった。しかし、

明家として生涯の特許は 347 件におよんだ。1920

ド・ハーティのような技術者でも、そのような安年当時、若者にとってあこがれの場、電話産業ウ定な増幅器の実現が不明なので解決は不能と言っエスターン・エレクトリックに職を得たブラックていた。ブラックはのちベル研の所長になったケは、電話伝送システムの改善に取り組む機会を得ルヴィン・ケリーと低ひずみの真空管の改良に取た。

り組んだが成功しなかった。

1906 年のド・フォレストのオーディオンの発

1923 年の春、ブラックはたまたまスタインメ

明は真空管増幅器の可能性を開いたが、つづいてッツ（Charles Proteus Steinmetz、1865 ― 1923 の長距離伝送のためには高真空の真空管が使用され講演を聴く機会があり、彼の明確で明晰な論理にるようになった。やがて 1015 年には初めて大陸感銘を受けた。原点に返ることを悟ったのである。

横断電話をアレクサンダー・ベルが使ったし、そのときに増幅器の出力から歪みを取り去ること1914 年にはアームストロングの再生回路が革命を考えだした。原因が非直線性であれ、真空管の的な回路として披露されている。1921 年当時、ゲインの変化であれ、それを取り出して除去する

ベルの研究所の主要な研究は搬送電話のレピータことを追求した。出力から入力と同じ振幅で引きー３チャネルの C 型変調器であった。

算する。そのためには歪みを別の増幅器を通して、ブラックは過去のデータを慎重に調べて伝送ひ出力でキャンセルすることにした。出力側のトラずみは、プッシュプルレピーターに主要な原因がンスかブリッジ回路で加えて取り除く回路でああること突き止めた。増幅器出力には真空管の非る。実験では歪みは従来の 40dB 減となった。こ直線性から二次高調波が発生してしまう。レピーの方式をフィードフォワード増幅器と名づけ特許

ターを数多く直列につながってしまうので大きな出願をした。

歪みが発生する。C 型レピーターでは 1000 マイ

しかし、この方法では一日中誰かが調整しなけ

ル以上は考えていなかったし、４チャネルまでしればならなかった。フィラメント電流を１時間おか取り扱えなかった。経済的な大陸横断網には不きに、６時間おきにプレート電圧を調整して増幅十分であった。

器の特性を維持するのである。そうすると増幅度

1921 年の暮れ、数千マイルま可能なマルチチ
Vol.48 No.6（2003 年 6 月号）

は 1 ／ 2 から 1dB の変動に収まるが、なんとかも73っと手のかからない方式を探す必要があった。

ステム的手法を編み出した。ようやく負帰還回路の理論が確立したことになる。やがて、ベル研所

負帰還のアイデアと実現

長の Kelly の言うように、「負帰還はあらゆる目

1927 年８月２日のこと、突然、ブラックに負帰還のアイデアがひらめいた。ニュージャージーからニューヨークへ通勤するフェリーボートの中のことだった。増幅器の出力を入力に、逆相でも的につかわれる増幅器に採用されるだろう」は現実のものとなっていく。

負帰還をめぐる特許

どし、出力から歪みをキャンセルでする方法を思

しかし、1928 年８月８日、特許庁に出願した

いついた。その着想は、すぐさま手に持ったニュ

負帰還回路は確定するには長い時間を要した。９ーヨークタイムズ紙に走り書きした。

年後の 1937 年 12 月 21 日までかかったのである。

ついで、三段の広帯域増幅器のアイデアも思い特許庁の係官は負帰還回路は動作しないとみて、ついた。レピータ増幅器に必要なことは、入力、その証拠を求めた。英国特許庁は永久運動の出願

出力インピーダンスがラインインピーダンスとマと同等とみなし、実際に稼働する装置の提出を求ッチすることである。このときもフェリーの中でめた。その時は、ニュージャージーのモリスタウあった。思いついた着想は、やはりニューヨークンでの証拠を提出することになる。

タイムズ紙の 1927 年 8 月 6 日号に書き留めた。そ実は、英国特許庁も米国特許庁も、長らく永久して、とうとうその年の暮れにこの考えに基づい運動の特許申請には悩まされてきた背景がある。て、4 〜 45kHz、1 ／ 100,000（50dB）と歪み削減を

永久運動は熱力学第二法則で不可能と分かった後達成できた。

でも、発明者の特許申請は絶えず係官を悩ましつ

1928 年１月、大陸横断電話ケーブルで、4 ―−づけた。特許の申請には、動く試作品を付けるこ

40kHz、16 番線で９チャンネル、地下ケーブルとを要請されることになったのは、思い違いをし68 組みのペアケーブル、25 マイル間隔で実現すている発明家を思いとどまらせ、止めることを意る案を立てたが、所内で負帰還増幅器は動作しな図したものである。つまり負帰還回路も永久機関い、コルピッツ・プッシュプル回路が良いとの反と同様に扱われたわけである。

対にあった。しかしとうとう 1930 年、78 の負帰

もう一つは特許申請書の長さである、42 ペー

還増幅器をニュージャージーで試用する機会がやジにわたる説明、126 項目の請求範囲、75 もの図、ってきた。実験は 68 対の 25 マイル長、68 レピー

難解な式が含まれている膨大な申請書であった。

ターで行われた。これは９チャネルの 7650 マイ申請書が異常に長くなったのは、原理が明らかでル、306 レピーターと等価である。

なかった新分野を解説したからである。それはあ数年後にはナイキスト（Harry Nyqusit、1889 ―らゆる範囲の増幅器、制御システムに及んでいる。

1976）が負帰還増幅器の不安定をさける手法を解機械、音響、化学、水力、複雑な工業、軍事制御

析し、ボード（Heinrich Bode、1905 ― 1982）がシシステム、単純なシステムから全システムまでもμ出力
μ1≒−＝ Af ＝入力l −μββ入力

出力β74

図３ ブラックの負帰還回路の概念
1927 年 8 月 2 日、通勤途上のフェリーの中でひらめいた。

オートメーションインスツルメンツの歴史

対象なるし、しかも、請求範囲は広く認められるR.M.Sように工夫した。これらも遅れの原因になった。
前回紹介した 1920 年当時の A 型バルボルはそ.2000あったが、バルボルの目盛りはリニアではなく、−1−51

測定対象からエネルギーをとらない大きな進歩で.821れまでの電圧計に比して、インピーダンスが高く、VOLTS.6.4

30＋読みにくい。真空管の非直線性がそのまま現れて2いるからである。ヒューレットはこのバルボルに負帰還回路を採用した。1930 年代末にはバラン
タイン、GR、RCA 社などからも発売される。直図４

負帰還回路を採用したバルボルの目盛（hp ― 400 シリーズ）

流から高周波までをカバーし、目盛りもリニアでゼロ点調整も不要になった。

下、空中、衛星を通して宇宙に拡がっている。さこの負帰還を採用した真空管増幅器に、1936らに重要なのは、従来関連の薄かった分野に拡が年のブラムレイン（A. D. Blumlein）が差動回路り続けている。バイオケミカル、バイオエンジニが採用されるようになると、入力ドリフトの小さアリング、サイバネティックス、コンピュータ、い安定な直流増幅器ができてさらにバルボルの測

従来看護士や医師、外科医で使われてきた医療機定範囲がひろがった。負帰還回路には真空管を何器、身体不自由者の方々の使う道具にもある。

本も必要とするが、1950 年代にはミニアチュア管が発明され、実用的な小型真空管電圧計が完成したと言えよう。また、トランジスタが使われるようになって以来、バルボルとは呼ばれなくなった。
負帰還回路が日本の計測器にも使い出されるのは、第二次世界大戦後のことである。戦後の空白技術を埋めようと、当初、計測器の技術者は文献をたよりに研究したと伝えられている。
現代では負帰還増幅器と負帰還システムは、あ＜参 考 文 献＞
1）Harold Black, Inventing the negative feedback
amplifier , IEEE Spectrum, 55 ／ 60,（1977 ／ 12）2）米国特許２, 102, 671（1937 ／ 12 ／ 21, 1928 ／８／８申請）
Wave Translation System ,3）アーサー・オードヒューム（高田、中島訳）：『永久運動の夢』朝日選書（1998）
4）F. E. Terman, R. R. Buss, W. R. Hewlett, F. C. Cahill,
Some Application of Neagtive Feedback with
Particular Reference to Laboratory Equipment , IRE
Proc. 649 ／ 655,（1939 ／ 10）

らゆる形の通信システムに見られる。地下、水面

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