電子工学とは｜回路・信号処理の基礎と応用をわかりやすく解説

電子工学の基礎から回路・信号処理の実践応用まで、図解と例でわかりやすく解説。初心者でも設計・解析のコツが身につく入門ガイド。

著者: Leandro Alegsa

28-01-2026 19:05

電子工学は、電子の流れを制御する方法を学ぶ学問です。これは、電気の流れを制御するコンポーネントで構成された回路を扱います。電子工学は物理学や電気工学の一部であり、半導体素子、集積回路、アナログ回路・デジタル回路、信号処理、組込みシステムなど広い領域を含みます。日常のスマートフォンやパソコン、医療機器、車載電子機器、無線通信機器など、現代社会の多くの技術は電子工学によって支えられています。

基本的な部品と働き

トランジスタやリレーのような電気部品は、スイッチや増幅器として機能します。これにより、電気回路を使って情報を処理したり、長距離の情報を送信したりすることができます。回路は、微弱な信号（ささやき声のような）を取り込み、増幅（音量を大きくする）することもできます。

代表的な素子には、抵抗、コンデンサ、インダクタ、ダイオード、トランジスタ（BJT、FETなど）、オペアンプ、集積回路（IC）があります。これらを組み合わせて、アンプ、発振器、フィルタ、整流回路、電源回路、デジタル論理回路、マイクロプロセッサを含む複雑なシステムを構成します。

電子システムの分類と応用

ほとんどの電子システムは次のような目的別に分類できます：

情報を処理して伝送・蓄積・表示するもの（例：通信・コンピュータ・信号処理）。これらを通信システムと呼ぶことが多いです。
電力や運動などのエネルギーを変換・制御するもの（例：電源、モータドライブ、パワーエレクトロニクス）。これらを制御システムと呼ぶことがあります。

さらに細かく見ると、アナログ回路（連続信号を扱う）とデジタル回路（離散的なビットで処理する）、信号処理（フィルタ、変調・復調、圧縮）、組込みシステム（マイコンやFPGAを使った制御）、パワーエレクトロニクス（電力の変換・管理）などの分野に分かれます。これらは単独で動くことは少なく、実際の製品では複数の技術が組み合わさります。

入力・信号処理・出力という見方

電子システムの見方の一つに、次の3つの部分に分ける方法があります。

入力 - 物理的な世界（温度、圧力などの形で）から信号を受け取り、電流や電圧の信号に変換する電気的または機械的なセンサー。
信号処理回路 - 信号に含まれる情報を操作、解釈、変換するために接続された電子部品で構成されています。ここには増幅、フィルタリング、変調・復調、アナログ→デジタル変換（ADC）、デジタル処理、デジタル→アナログ変換（DAC）などが含まれます。
出力 - 電流および電圧信号を人間が読める情報や物理的な動作に変換するアクチュエータまたはその他の装置（表示、スピーカ、モータ等）。

この観点は、設計やトラブルシューティングで役立ちます。入力の性質や精度、信号処理でのノイズ対策や帯域幅、出力の駆動能力や安全性を順に検討します。

具体例：テレビジョン受信機

例えば、テレビジョン受信機は、アンテナから受信した放送信号を入力とし、ケーブルテレビの場合はケーブルを入力としています。テレビの内部では、チューナー→復調器→デコーダ→映像・音声処理→表示・音声出力という一連の処理が行われます。

テレビジョンセット内部の信号処理回路は、受信した信号に含まれる輝度、色、音の情報を利用して、テレビジョンセットの表示出力装置を制御します。ディスプレイ出力装置は、陰極線管（ＣＲＴ）やプラズマや液晶ディスプレイの画面であってもよい。音声出力装置は、磁気駆動式のオーディオスピーカであってもよい。表示出力装置は、信号処理回路の輝度情報及び色情報を、スクリーンに表示される可視画像に変換する。音声出力装置は、処理された音声情報をリスナーが聴き取れる音に変換する。

近年はアナログ放送からデジタル放送へ移行し、映像圧縮やエラーフリー伝送、デジタル復調・復号などデジタル信号処理の要素が重要になっています。

解析と設計（合成）

回路・ネットワークの解析には、入力と信号処理回路を知り、出力を見つけることが必要です。入力と出力を知り、信号処理部分を見つけ出したり設計したりすることを合成といいます。

解析ではオームの法則、キルヒホッフの法則、周波数領域でのインピーダンス、伝達関数、ラプラス変換、フーリエ解析などが用いられます。設計・合成では、所定の性能（帯域、利得、安定性、消費電力、ノイズ許容度など）を満たす回路を選定・配置し、シミュレーション（SPICEなど）や試作、測定を繰り返して最適化します。

実務で使う技術と注意点

設計ツール：回路シミュレータ（例：SPICE系）、プリント基板（PCB）設計ソフト、ハードウェア記述言語（HDL）を用いたFPGA設計など。
測定器：オシロスコープ、スペクトラムアナライザ、ロジックアナライザ、マルチメータ等で動作確認やデバッグを行う。
安全性・規格：電磁両立性（EMC）、安全規格、電源の保護や絶縁、温度管理など実装時の考慮が必要。
実装技術：表面実装（SMT）、はんだ付け、ケーブル配線、熱設計、機械的強度などが製品の信頼性を左右する。

まとめ

電子工学は、電子や電気の振る舞いを理解し、それを利用して情報を処理・伝送し、あるいはエネルギーを制御・変換する技術分野です。基礎となる回路理論や素子物性から、信号処理、デジタル設計、組込みソフトウェア、実装・試験まで幅広い知識と技能が求められます。現代の多くの製品やインフラは電子工学なくしては成立しないため、応用範囲は非常に広く、学びがいのある分野です。

プリント基板です。

歴史

ミレタスのタレスが琥珀の上で毛皮をこすりつけると、それらが互いに引き合う原因になることを発見したとき、人々は早くも紀元前600年に電気の実験を始めました。

1900年代に始まって、デバイスは、電気の流れを制御するためにガラスや金属の真空管を使用していました。これらのコンポーネントを使用すると、低電力電圧が別のものを変更するために使用することができます。これはラジオに革命を起こし、他の発明を可能にしました。

1960年代から1970年代初頭にかけて、真空管に代わってトランジスタや半導体が登場しました。トランジスタは真空管よりもはるかに小さくすることができ、より少ないエネルギーで動作させることができます。

ほぼ同時期に、集積回路（極薄のシリコンの上に極小のトランジスタを多数配置した回路）が一般的に使われるようになりました。集積回路は、電子製品を作るために必要な部品点数を減らすことが可能になり、一般的には製品を大幅に安価にすることが可能になりました。

アナログ回路

アナログ回路は、振幅の範囲を持つ信号に使用されます。一般に、アナログ回路は信号の振幅を測定したり、制御したりします。電子機器の初期には、すべての電子機器がアナログ回路を使用していました。アナログ信号処理では、アナログ回路の周波数を測定したり、制御したりすることが多い。より多くのデジタル回路が作られるようになっても、世界とその人々はアナログ的な方法で働いているので、アナログ回路は常に必要とされるでしょう。

パルス回路

パルス回路は、エネルギーの高速パルスを必要とする信号に使用されます。例えば、航空機や地上レーダー機器は、パルス回路を利用してレーダー送信機から高出力の電波エネルギーのバーストを発生させ、送信することで機能しています。特殊なアンテナ（形状から「ビーム」アンテナや「ディッシュ」アンテナと呼ばれる）は、ビームアンテナやディッシュアンテナが向いている方向に高出力のバーストを送信（「送信」）するために使用されています。

レーダー送信機のパルスまたはラジオエネルギーのバーストは、硬く、金属製の物体からヒットし、跳ね返ってくる（それらは「反射」される）。堅い目的は建物、丘および山のような事である。金属目的は、航空機、橋、または衛星のような宇宙の目的のような金属から成っている何でも、である。反射されたレーダーエネルギーは、パルス回路とデジタル回路を併用したレーダーパルス受信機によって検出されます。レーダーパルス受信機のパルスとデジタル回路は、レーダー送信機の高出力パルスを反射した物体の位置と距離を示すのに使用されています。

レーダー送信機がレーダーエネルギーの急速なパルスをどれだけの頻度で送り出すか（送信機の「パルスタイミング」と呼ばれる）と、反射したパルスエネルギーがレーダー受信機に戻ってくるまでの時間を制御することで、物体がどこにいるかだけでなく、どれだけ遠くにいるかを知ることができます。レーダー受信機のデジタル回路は、エネルギーパルスの間隔を知ることで、物体までの距離を計算しています。レーダー受信機のデジタル回路は、物体の反射エネルギーがレーダー受信機によって検出されるまでのパルス間の時間を数える。レーダーパルスはほぼ光速で送受信されるため、物体までの距離を簡単に計算することができます。これは、光の速度に物体から反射されたレーダーエネルギーを受信するのにかかる時間を乗算することで、デジタル回路で行われます。

パルス間の時間（しばしば「パルスレートの時間」と呼ばれる、またはPRT）は、物体がどれだけ遠くにあるかを検出できるかの限界を設定する。その距離はレーダーの送信機および受信機の「範囲」と呼ばれる。レーダーの送信機と受信機は、遠くにあるオブジェクトへの距離を見つけるために長いPRT'sを使用しています。長いPRT'sは、例えば月までの距離を正確に決定することを可能にします。高速PRTは、海上の船舶や高飛車、高速道路を高速で移動する自動車の速度を測定するなど、より近くにある物体を検出するために使用されます。

デジタル回路

デジタル回路は、オンとオフの間のどこかのレベルで動作することが多いのではなく、オンとオフだけの信号に使用されます。デジタル回路のアクティブ・コンポーネントは、通常、オン時には1つの信号レベルを持ち、オフ時には別の信号レベルを持ちます。一般的に、デジタル回路では、コンポーネントはオンとオフの間でしか動作しません。

電子機器の例としては、コンピュータや電子時計などがありますが、これらはほとんどがデジタル回路で構成されています。

基本的なブロック。

ロジックゲート
ビーチサンダル
カウンター

複雑なデバイス。

デジタル回路である半加算器の図

質問と回答

Q:エレクトロニクスとは何ですか?

A:エレクトロニクスとは、電気（電子の流れ）を研究し、それを使ってコンピュータなどを構築する学問です。部品と電線をつないで作った回路を使って、便利なことをするのです。

Q:エレクトロニクスの基礎となる科学は何ですか?

A:エレクトロニクスの基礎となる科学は物理学からきており、電気工学の分野を通じて実際の生活に応用されています。

Q:電子部品にはどのようなものがありますか?

A:電子部品の例としては、トランジスタ、ヒューズ、サーキット・ブレーカー、バッテリー、モーター、トランス、LED、電球などが挙げられます。

Q:電子システムはどのように部品に分解することができますか?

A: 電子システムは、入力、信号処理回路、出力の3つの部分に分けることができます。入力は、物理的な世界から信号を受け取り、電流と電圧の信号に変換する電気的または機械的なセンサーです。信号処理回路は、信号に含まれる情報を操作、解釈、変換するために一緒に接続された電子部品で構成されています。出力は、電流と電圧の信号を人間が読める情報に戻すアクチュエーターやその他の装置です。

Q: テレビはどのように機能するのですか?

A: テレビは、アンテナまたはケーブルテレビ用のケーブルから受信した放送信号を入力としています。テレビ内部の信号処理回路は、受信した信号に含まれる明るさ、色、音の情報を使って、表示出力装置のブラウン管、プラズマ、液晶画面、音声出力装置の磁気駆動スピーカーなどの出力装置を制御し、それぞれ画面に表示する映像やリスナーに聞かせる音に変換しているのです。

Q:回路・ネットワークの解析とは何ですか?

A:回路・ネットワークの解析は、その入力と信号処理回路の両方を知って、その出力がどうなるかを知ることです。

Q:エレクトロニクスの場合、合成とは何ですか?

A:合成とは、入力と出力の両方を知り、それが正しく機能するためにどのような信号処理部分が必要かを見つけ出すこと、または設計することです。

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