アナログ電子回路とは?

アナログ電子回路の設計はなぜ難しいのか?

当記事では、あくまで私個人からの視点で、「アナログ電子回路の設計はなぜ難しいのか?」について説明していきます。

アナログ電子回路を理解すること自体が難しいということもあるのですが、加えて大学での勉強や企業での設計実務などの外因的な要因についても考えてみます。

アナログ電子回路を理解するのが難しい

はじめに、アナログ電子回路を理解すること自体が難しいことについて考えてみたいと思います。

アナログ電子回路を一言でいうと、電気信号を連続値として扱う電子回路のことになります。

まず、電気信号を扱うことについて着目すると、この電気についてイメージすることが大変なのです。

当然ながら、電気以外にも様々な工学分野があり、例えば、機械、土木などであれば現象を人間の目で見ることができるので、イメージしやすいです。

しかし、電気の現象(電気信号)を人間の目で確認することはできないので、電子回路上の動作を頭の中だけでイメージできるようになる必要があります。

さらに、現在、電子回路の設計はアナログ電子回路とディジタル電子回路に大別されますが、ディジタル電子回路はしきい値により0(LOW)/1(HIGH)を判別して離散値(非連続の値)として扱うので理解しやすいです。
一方、アナログ電子回路は電気信号を連続値として扱うので、0/1で考えるディジタル電子回路より考慮する要素が多くなるため難しくなってしまうのです。

大学のアナログ電子回路が現実の設計と乖離している

大学のアナログ電子回路の講義は以下のようにトランジスタの使い方が中心になっていることがほとんどです。

アナログ電子回路の講義例
  1. トランジスタの基本特性
  2. トランジスタの基本増幅回路
  3. トランジスタのカレントミラー回路
  4. トランジスタの差動増幅回路
  5. トランジスタの負帰還増幅回路
  6. トランジスタの演算増幅回路
  7. トランジスタの発振回路

トランジスタの基本増幅回路である「エミッタ接地増幅回路」一つとっても、あまりにも難しい説明や計算で投げ出したくなってしまった人も多いのではないかと思います。

しかし、こうしたトランジスタの増幅回路や発振回路は、オンボード(基板上)での現実のアナログ電子回路設計では使われることはありません。

現在、トランジスタの代わりに増幅回路には半導体を集積回路化されたICである「オペアンプ」を使用することがほとんどです。

オペアンプであれば、抵抗の比率で増幅率が決められるのでトランジスタに比べて簡単に設計できます。

また、オペアンプはICとして集積回路化されているので、少ない部品点数(小面積)で増幅回路を作ることができ、部品によるバラツキの影響が少なくコストも安くなるのです。

もちろん、トランジスタの増幅回路も知識としては大事ですが、実際に仕事としてアナログ電子回路の設計をするようになると、わざわざ設計できるレベルまでトランジスタについて学ぶ人は少ないです。

それに、大学ではアナログ電子回路設計の現場で使われないトランジスタの勉強ばかりするので、いくらオペアンプの増幅回路がトランジスタと比べて簡単と言っても、会社に入ってから一から勉強することになってしまいます。

さらに、大学のアナログ電子回路で想定される電子部品は全て理想素子であることがほとんどですが、現実には特性が理想的な電子部品は存在しません。

そのため、一つの種類の電子部品にも様々な特性が存在し、設計するアナログ電子回路に最適な部品選定する必要があるのです。

例えば、オペアンプには、全体的にほどほどの特性を持つ「汎用オペアンプ」、直流特性が良い「高精度オペアンプ」、交流特性の良い「高速広帯域オペアンプ」などに分類されます。

また、「高精度オペアンプ」は直流特性が良い代わりに交流特性が悪い、「高速広帯域オペアンプ」は交流特性が良い代わりに直流特性が悪いなどと欠点も存在します。

仮に理想素子としての安価なオペアンプが存在したら、たくさんの種類がある必要はなく、一つの種類に集約されてしまいますよね。

このように、現実のアナログ電子回路設計と大学の勉強に乖離があるため、元々、難しいアナログ電子回路をよけいに難しくしているのではないかと思います。

大企業では設計の実務経験をつめない

現在の日本の大企業(大手メーカー)では、電子機器の開発において、昔のように一つの製品に一人のエンジニアが担当するのではなく、開発業務を細分化して一人のエンジニアが狭い特定の分野のみを担当するようになってきました。

さらに大企業では電子回路設計やソフトウェア開発を社内で行うのではなく、グループ企業や下請け企業に外注化しているのです。

そうなると、エンジニアの仕事というより、仕様書作成、外注管理などといった事務的な仕事が中心になります。

確かに昔に比べて電子回路一つとっても回路規模が大きくなって一人で担当しきれなくなってきたこともありますが、会社側にとって、このような労働スタイルの方が社員の教育コストを安くでき、転職などの何らかな理由で社員に退職されたとしても抜けた穴を埋めるのは簡単です。

そのため、こうした大企業では、そもそも設計の実務をしていないので、アナログ電子回路設計だけに限らず、社員に大した技術力は身につかないでしょう。

さらに言えば、現在の日本では優秀な大学の学生は大企業に就職する流れになっています。

大きな理由の一つに大企業と中小企業の間に給与格差があり、同じような仕事でも大企業の方が中小企業より給与や福利厚生が良いのです。

日本の場合、給与は電子回路の設計をするエンジニアだから年収〇〇〇万円といった具合に職業で決まるのではなく、会社によって決まってしまうので「日本は就職ではなく就社だ!」と言う人もいるぐらいです。

就職する会社に選択肢がたくさんある優秀な学生であれば、おのずと大企業に行くのが当たり前になってしまうでしょう。

しかし、先程説明したように大企業では設計の実務をほとんど行っていないので、いくらポテンシャルの高い優秀な学生だったとしても、設計ができるようにはなりません。

例えば、以前、私が勤務していたある大手メーカーの担当部長(電子回路とソフトウェアの開発を統括)が以下のような発言を聞いて非常に驚いたことがあります。

実験用電源の出力端子にコンデンサをつければ、ノイズが全て除去できる

つまり、実物のコンデンサも理想素子として考えており、周波数が高くなるほどインピーダンスも低くなると思い込んでいたわけです。
(実物のコンデンサは周波数が高くなると寄生インダクタンスにより、逆にインピーダンスが高くなるので、周波数の高いノイズは除去できません。)

この方は某国立大学工学部を卒業しているので特別頭が悪いわけではありません。やはり、このような勘違いをしてしまうのは、設計の実務経験が少ないのが一つの理由だと思います。

本来であれば、優秀な学生ほどアナログ電子回路設計など高度な専門知識を必要とする仕事をすべきだと思うのですが、設計の仕事を本格的にやりたいとなると給与の低いグループ子会社もしくは中小企業に行かなければなりません。
(もちろん、日本の大企業でも社員に専門的な知識を身につけさせるエンジニア育成をしていたりするところもあるかもしれませんが、あくまで例外だと考えた方が良いでしょう。)

まとめ

  • アナログ電子回路は電気信号を連続値として扱うので理解するのが難しい
  • 現実のアナログ電子回路設計と大学の勉強に乖離があり、さらにアナログ電子回路の設計を難しくさせている
  • ほとんどの日本の大企業では設計の実務経験をつめず、アナログ電子回路設計も含めて大した技術を身につけられない
  • テキストのコピーはできません。