Semiconductor-devices-oscillators
半導体デバイス-発振器
発振器は、*正弦波発振器*として知られる正弦波振動を生成する電子回路です。 DC源からの入力エネルギーを、特定の周波数で既知の振幅の周期的波形のAC出力エネルギーに変換します。 発振器の特徴は、AC出力を維持することです。
次の図は、外部から入力信号が印加されていない場合でもフィードバック信号を備えた増幅器を示しています。 正弦波発振器は基本的にフィードバック増幅器の一種であり、電圧ゲイン* A〜v〜*およびフィードバックネットワーク*β*に特別な要件が課されます。
フィードバック電圧V〜f〜=βV〜O〜が全入力電圧を供給する上図のフィードバック増幅器を考えてみましょう
$ V_i = V_f = \ beta V_0 = A_V \ beta V_i $（1）
$ V_i = A_V \ beta V_i $または$（1-A_V \ beta）V_i = 0 $（2）
出力電圧を生成する場合、入力電圧をゼロにすることはできません。 したがって、V〜i〜が存在するために、式（2）は
$（1-A_V \ beta）= 0 $または$ A_V \ beta = 1 $（3）
方程式（3）は*「Barkhausen基準」*として知られ、振動の2つの基本要件を述べています-
- ループゲインと呼ばれる、アンプとフィードバックループの周囲の電圧ゲインは、1または$ A_V \ beta = 1 $でなければなりません。
- ループ位相シフトと呼ばれる$ V_i $と$ V_f $間の位相シフトはゼロでなければなりません。
これらの2つの条件が満たされると、上図のフィードバックアンプは一貫して正弦波出力波形を生成します。
次に、いくつかの典型的な発振器回路について詳しく説明します。
位相シフト発振器
フィードバック回路の基本的な進歩に従う発振器回路は、位相シフト発振器です。 次の図に、位相シフト発振器を示します。 発振の要件は、ループゲイン（βA）が1より大きく、入力と出力間の位相シフトが360 ^ o ^であることです。
フィードバックは、RCネットワークの出力からアンプ入力に戻されます。 オペアンプアンプステージは初期の180度シフトを提供し、RCネットワークは追加の位相シフトを導入します。 特定の周波数では、ネットワークによって導入される位相シフトは正確に180度であるため、ループは360度になり、フィードバック電圧は同相入力電圧になります。
フィードバックネットワークのRCステージの最小数は3です。各セクションは60度の位相シフトを提供します。 RCオシレーターは、数サイクルから約100 KHzまでのオーディオ周波数の範囲に最適です。 より高い周波数では、ネットワークインピーダンスが非常に低くなるため、アンプに深刻な負荷がかかり、そのため電圧ゲインが必要な最小値を下回り、発振が停止します。
低周波数では、負荷効果は通常問題にならず、必要な大きな抵抗値と容量値がすぐに利用できます。 基本的なネットワーク解析を使用すると、周波数振動は次のように表現できます。
f = \ frac \ {1} \ {2 \ pi RC \ sqrt \ {6}}
Wien Bridgeオシレーター
実際の発振器回路は、オペアンプとRCブリッジ回路を使用し、発振器周波数は R および C コンポーネントによって設定されます。 次の図は、ウィーンブリッジ発振器回路の基本バージョンを示しています。
基本的なブリッジ接続に注意してください。 抵抗R〜1〜およびR〜2〜とコンデンサC〜1〜およびC〜2〜は周波数調整要素を形成し、抵抗R〜3〜およびR〜4〜はフィードバック経路の一部を形成します。
このアプリケーションでは、ブリッジへの入力電圧（V〜i〜）はアンプの出力電圧であり、ブリッジの出力電圧（V〜o〜）はアンプの入力にフィードバックされます。 オペアンプの入出力インピーダンスの負荷効果を無視すると、ブリッジ回路の解析により
\ frac \ {R_3} \ {R_4} = \ frac \ {R_1} \ {R_2} + \ frac \ {C_2} \ {C_1}
and
f = \ frac \ {1} \ {2 \ pi \ sqrt \ {R_1C_1R_2C_2}}
R〜1〜= R〜2〜= RおよびC〜1〜= C〜2〜= Cの場合、結果の発振器周波数は
f_o = \ frac \ {1} \ {2 \ pi RC}
ハートレー発振器
次の図は、ハートレー発振器を示しています。 最も一般的なRF回路の1つです。 通常、通信放送受信機の局部発振器として使用されます。 共通エミッタ接続のバイポーラ接合トランジスタは電圧増幅器であり、R〜1〜、R〜2〜、R〜E〜で構成されるユニバーサルバイアス回路によってバイアスされます。 エミッタバイパスコンデンサ（C〜E〜）は、この単一トランジスタステージの電圧ゲインを増加させます。
コレクタ回路の無線周波数チョーク（RFC）は、RF周波数で開回路として機能し、RFエネルギーが電源に入らないようにします。 タンク回路は、L〜1〜、L〜2〜、およびCで構成されています。 振動の周波数は、L〜1〜、L〜2〜、およびCの値によって決まり、LCタンク回路の共振周波数での振動によって決まります。 この共振周波数は
f_o = \ frac \ {1} \ {2 \ pi \ sqrt \ {L_TC}}
負荷が大きく、発振周波数が影響を受けない場合、出力信号は容量結合によってコレクタから取得できます。
圧電性
圧電特性は多くの天然結晶物質によって示されますが、その中で最も重要なのは、石英、ロシェル塩、およびトルマリンです。 これらの材料に正弦波電圧が印加されると、印加電圧周波数で振動します。
一方、これらの材料が圧縮され、機械的歪みの下に置かれて振動すると、同等の正弦波電圧が生成されます。 したがって、これらの材料は圧電結晶と呼ばれます。 水晶は最も人気のある圧電結晶です。
水晶発振器
水晶発振器の回路図を次の図に示します。
ここの水晶は調整された回路として機能します。 水晶の等価回路を以下に示します。
水晶発振器には、直列共振周波数と並列共振周波数の2つの共振周波数があります。
直列共振周波数
f_s = \ frac \ {1} \ {2 \ pi \ sqrt \ {LC}}
並列共振周波数
f_p = \ frac \ {1} \ {2 \ pi \ sqrt \ {LC_T}}
C/Cmは非常に小さいため、2つの共振周波数はほぼ同じです。 上の図では、水晶は並列共振モードで動作するように接続されています。
抵抗器R〜1〜、R〜2〜、R〜E〜、およびトランジスタは一緒にアンプ回路を形成します。 抵抗R〜1〜およびR〜2〜は、電圧安定化DCバイアスを提供します。 コンデンサ（C〜E〜）はエミッタ抵抗（R〜E〜）のACバイパスを提供し、RFCは発振器によって生成された周波数に対して高インピーダンスを提供し、それらが電力線に入らないようにします。
水晶はコンデンサC〜1〜およびC〜2〜と並列であり、そのインピーダンスが最大の場合、コレクタからエミッタへの最大電圧フィードバックが可能です。 他の周波数では、水晶のインピーダンスが低いため、結果のフィードバックが小さすぎて発振を維持できません。 発振器の周波数は、水晶の並列共振周波数で安定しています。
