Sinusoidal-oscillators-quick-guide
正弦波発振器-はじめに
- オシレータ*は、AC入力信号なしで出力を生成します。 電子発振器は、DCエネルギーを非常に高い周波数でACに変換する回路です。 正帰還を備えた増幅器は、発振器として理解できます。
アンプ対 発振器
- アンプ*は適用される入力信号の信号強度を増加させますが、*発振器*はその入力信号なしで信号を生成しますが、動作にはDCが必要です。 これが増幅器と発振器の主な違いです。
次の図をご覧ください。 アンプがDCからエネルギーを取得する方法を明確に示しています。 電源に変換し、ACに変換します。 信号周波数のエネルギー。 発振器は、振動交流を生成します。 独自の信号。
周波数、波形、およびa.c.の大きさ 増幅器によって生成される電力は、ACによって制御されます。 信号電圧は入力に印加されますが、発振器の電圧は回路自体のコンポーネントによって制御されるため、外部制御電圧は不要です。
オルタネーターと 発振器
- オルタネーター*は、入力なしで正弦波を生成する機械装置です。 このa.c. 生成機は、最大1000Hzの周波数を生成するために使用されます。 出力周波数は、極の数とアーマチュアの回転速度に依存します。
次のポイントは、オルタネーターとオシレーターの違いを強調しています-
- オルタネーターは機械的エネルギーを交流に変換します 一方、発振器はd.c.を変換します ACへのエネルギー エネルギー。
- 発振器は数MHzの高い周波数を生成できますが、オルタネーターは生成できません。
- オルタネーターには回転部分がありますが、電子発振器にはありません。
- オルタネーターよりもオシレーターの発振周波数を変更するのは簡単です。
発振器は、ACを変換する整流器の反対と考えることもできます。 d.c.へ これらはDCを変換するため a.c.へ 整流器の詳細については、リンク：/electronic_circuits/index [電子回路]チュートリアルをご覧ください。
発振器の分類
電子発振器は、主に次の2つのカテゴリに分類されます-
- 正弦波発振器-正弦波形の出力を生成する発振器は、*正弦波発振器または*調和発振器*と呼ばれます。 このような発振器は、20 Hz〜1 GHzの範囲の周波数で出力を提供できます。
- 非正弦波発振器-方形波、矩形波、またはノコギリ波の出力を生成する発振器は、*非正弦波*または*緩和発振器*と呼ばれます。 このような発振器は、0 Hz〜20 MHzの範囲の周波数で出力を提供できます。
このチュートリアルでは、正弦波発振器についてのみ説明します。 非正弦波発振器の機能については、リンク：/pulse_circuits/index [パルス回路]チュートリアルをご覧ください。
正弦波発振器
正弦波発振器は、次のカテゴリに分類することができます-
- 同調回路発振器-これらの発振器は、インダクタ（L）とコンデンサ（C）で構成される同調回路を使用し、高周波信号を生成するために使用されます。 したがって、それらは無線周波数R.Fとしても知られています。 発振器。 このような発振器は、ハートレー、コルピッツ、クラップ発振器などです。
- * RC発振器*-発振器は抵抗とコンデンサを使用し、低周波数または可聴周波数の信号を生成するために使用されます。 したがって、これらはオーディオ周波数（A.F.）オシレーターとも呼ばれます。 そのような発振器は、位相シフト発振器とワインブリッジ発振器です。
- 水晶発振器-これらの発振器は水晶振動子を使用し、最大10 MHzの周波数で高度に安定化された出力信号を生成するために使用されます。 ピエゾ発振器は、水晶発振器の一例です。
- 負抵抗発振器-これらの発振器は、トンネルデバイスなどのデバイスの負抵抗特性を使用します。 調整されたダイオード発振器は、負性抵抗発振器の例です。
正弦波振動の性質
正弦波の振動の性質には、一般に2つのタイプがあります。 それらは*減衰*および*減衰なし振動*です。
減衰振動
時間とともに振幅が減少する電気振動は、*減衰振動*と呼ばれます。 減衰振動の周波数は、回路パラメータに応じて一定のままである場合があります。
減衰振動は通常、電力損失を発生する振動回路によって生成され、必要に応じて補正しません。
減衰のない振動
振幅が時間とともに一定である電気振動は、 Undamped Oscillations と呼ばれます。 減衰なしの振動の周波数は一定のままです。
一般に、減衰のない振動は、電力損失が発生せず、電力損失が発生した場合に補償技術に従う振動回路によって生成されます。
正弦波発振器-基本概念
正帰還を備えた増幅器は、出力を入力と同位相にし、信号の強度を高めます。 正のフィードバックは、「変性フィードバック」または「直接フィードバック」とも呼ばれます。 この種のフィードバックは、フィードバック増幅器、発振器を作ります。
正帰還を使用すると、閉ループゲインが開ループゲインより大きいフィードバックアンプが得られます。 その結果、*不安定*になり、発振回路として動作します。 発振回路は、任意の周波数の絶えず変化する増幅出力信号を提供します。
振動回路
振動回路は、所望の周波数の電気振動を生成します。 また、*タンク回路*とも呼ばれます。
簡単なタンク回路は、インダクタLとコンデンサCで構成され、両方が一緒になって回路の発振周波数を決定します。
発振回路の概念を理解するために、次の回路を考えてみましょう。 この回路のコンデンサは、DCソースを使用してすでに充電されています。 この状況では、コンデンサの上部プレートに過剰な電子があり、下部プレートには電子が不足しています。 コンデンサは静電エネルギーを保持しており、コンデンサに電圧がかかっています。
スイッチ S が閉じると、コンデンサが放電し、電流がインダクタを流れます。 誘導効果により、電流は最大値に向かってゆっくりと増加します。 コンデンサが完全に放電すると、コイルの周囲の磁場が最大になります。
では、次の段階に進みましょう。 コンデンサが完全に放電されると、磁界が崩壊し始め、レンツの法則に従って逆起電力が発生します。 これで、コンデンサは上部プレートで正電荷、下部プレートで負電荷で充電されます。
コンデンサが完全に充電されると、次の回路図に示すように、コイルの周囲に磁場を形成するために放電が開始されます。
この充電と放電の継続により、電子または*振動電流*が交互に動きます。 LとCの間のエネルギーの交換により、連続的な*振動*が生成されます。
損失のない理想的な回路では、発振は無期限に続きます。 実際のタンク回路では、コイルで*抵抗*および*放射損失*、コンデンサで*誘電損失*などの損失が発生します。 これらの損失により、減衰振動が発生します。
振動の頻度
タンク回路によって生成される振動の周波数は、タンク回路のコンポーネント L と C によって決まります。 振動の実際の周波数は、次の式で与えられるタンク回路の*共振周波数*（または固有周波数）です。
f_r = \ frac \ {1} \ {2 \ pi \ sqrt \ {LC}}
コンデンサの静電容量
発振周波数は、コンデンサの静電容量の平方根に反比例します。 そのため、使用するコンデンサの値が大きい場合、充電と放電の時間が長くなります。 したがって、頻度は低くなります。
数学的には、頻度、
f_o \ propto 1 \ sqrt \ {C}
コイルの自己インダクタンス
振動の周波数は、コイルの自己インダクタンスの平方根に比例します。 インダクタンスの値が大きい場合、電流の変化に対する抵抗が大きくなるため、各サイクルを完了するのに必要な時間が長くなります。つまり、期間が長くなり、周波数が低くなります。
数学的には、頻度、
f_o \ propto 1 \ sqrt \ {L}
上記の両方の式を組み合わせて、
f_o \ propto \ frac \ {1} \ {\ sqrt \ {LC}}
f_o = \ frac \ {1} \ {2 \ pi \ sqrt \ {LC}}
上記の式は、出力周波数を示していますが、タンク回路の*固有周波数*または*共振周波数*と一致しています。
発振回路
発振器回路は、発振を生成するのに役立つ回路のすべての部分の完全なセットです。 前述のように、これらの振動は持続し、減衰しないはずです。 発振器回路がどのように機能するかをよりよく理解するために、実際の発振器回路を分析してみましょう。
実用的な発振回路
実用的なオシレータ回路は、タンク回路、トランジスタ増幅器、およびフィードバック回路で構成されています。 次の回路図は、実際の発振器の配置を示しています。
この実用的な発振器回路の部品について説明しましょう。
- タンク回路-タンク回路は、コンデンサ C と並列に接続されたインダクタンスLで構成されています。 これら2つのコンポーネントの値は、発振回路の周波数を決定するため、これは*周波数決定回路*と呼ばれます。
- トランジスタアンプ-タンク回路の出力はアンプ回路に接続されているため、タンク回路によって生成される振動はここで増幅されます。 したがって、これらの振動の出力は増幅器によって増加します。
- フィードバック回路-フィードバック回路の機能は、出力エネルギーの一部を適切な位相でLC回路に伝達することです。 このフィードバックは、発振器では正であり、増幅器では負です。
発振器の周波数安定性
発振器の周波数安定性は、長期間にわたって一定の周波数を維持する能力の尺度です。 長期間にわたって動作させると、発振器周波数は、増加または減少することにより、以前に設定された値からドリフトする場合があります。
発振器周波数の変化は、次の要因により生じる可能性があります-
- 使用されるBJTやFETなどのアクティブデバイスの動作点は、アンプの線形領域にある必要があります。 その偏差は、発振器の周波数に影響します。
- 回路部品の性能の温度依存性は、発振器の周波数に影響します。
- d.c.の変更 アクティブデバイスに印加される電源電圧、発振器周波数をシフトします。 これは、安定化電源が使用されている場合は回避できます。
- 出力負荷が変化すると、タンク回路のQファクターが変化し、それによって発振器の出力周波数が変化する場合があります。
- 素子間容量と浮遊容量の存在は、発振器の出力周波数に影響し、したがって周波数の安定性に影響します。
バルクハウゼン基準
これまでの知識から、実際の発振回路はタンク回路、トランジスタ増幅回路、フィードバック回路で構成されていることがわかりました。 それでは、フィードバックアンプの概念をブラッシュアップして、フィードバックアンプのゲインを導き出してみましょう。
フィードバックアンプの原理
フィードバックアンプは通常、2つの部分で構成されています。 それらは*アンプ*と*フィードバック回路*です。 通常、フィードバック回路は抵抗で構成されます。 フィードバック増幅器の概念は、次の図から理解できます。
上記の図から、アンプのゲインはAとして表されます。 アンプのゲインは、出力電圧Voと入力電圧Viの比です。 フィードバックネットワークは、アンプの出力V〜o〜から電圧V〜f〜=βV〜o〜を抽出します。
この電圧は、正のフィードバックの場合は加算され、負のフィードバックの場合は信号電圧V〜s〜から減算されます。
したがって、正のフィードバックを得るには、
V〜i〜= V〜s〜+ V〜f〜= V〜s〜+βV〜o〜
量β= V〜f〜/V〜o〜は、フィードバック比またはフィードバック割合と呼ばれます。
出力V〜o〜は、アンプのゲインAを掛けた入力電圧（V〜s〜+βV〜o〜）に等しくなければなりません。
したがって、
（V_s + \ beta V_o）A = V_o
Or
AV_s + A \ beta V_o = V_o
Or
AV_s = V_o（1-A \ beta）
だから
\ frac \ {V_o} \ {V_s} = \ frac \ {A} \ {1-A \ beta}
A〜f〜をアンプの全体的なゲイン（フィードバック付きゲイン）にします。 これは、出力電圧V〜o〜と印加信号電圧V〜s〜の比、つまり
A_f = \ frac \ {出力\：電圧} \ {入力\：信号\：電圧} = \ frac \ {V_o} \ {V_s}
上記の2つの式から、正帰還を備えた帰還増幅器のゲインの式は次の式で与えられることがわかります。
A_f = \ frac \ {A} \ {1-A \ beta}
ここで、*Aβ*は*フィードバック係数*または*ループゲイン*です。
Aβ= 1の場合、A〜f〜=∞。 したがって、ゲインは無限になります。つまり、入力なしの出力があります。 つまり、アンプはオシレーターとして機能します。
条件Aβ= 1は、*振動のバークハウゼン基準*と呼ばれます。 これは、オシレーターの概念において、常に念頭に置いておくべき非常に重要な要素です。
同調回路発振器
同調回路発振器は、チューニング回路の助けを借りて振動を生成する回路です。 チューニング回路は、インダクタンスLとコンデンサCで構成されています。 これらは、* LC発振器、共振回路発振器*、または*タンク回路発振器*とも呼ばれます。
調整された回路発振器は、1 MHzから500 MHzの範囲の周波数の出力を生成するために使用されます。したがって、これらは* R.Fとしても知られています。 オシレーター*。 BJTまたはFETは、調整された回路発振器を備えた増幅器として使用されます。 アンプとLCタンク回路を使用すると、正しい振幅と位相で信号をフィードバックして、発振を維持できます。
同調回路発振器の種類
無線送信機および受信機で使用される発振器のほとんどは、LC発振器タイプです。 回路でのフィードバックの使用方法に応じて、LC発振器は次のタイプに分類されます。
- チューニングコレクタまたはアームストロングオシレータ-トランジスタのコレクタからベースへの誘導フィードバックを使用します。 LC回路は、トランジスタのコレクタ回路にあります。
- Tuned base Oscillator -誘導フィードバックを使用します。 ただし、LC回路はベース回路にあります。
- Hartley Oscillator -誘導フィードバックを使用します。
- コルピッツ発振器-容量性フィードバックを使用します。
- Clapp Oscillator -容量性フィードバックを使用します。
ここで、上記のすべてのLC発振器について詳しく説明します。
調整されたコレクター発振器
チューニングされた回路はトランジスタ増幅器のコレクタに配置されるため、チューニングされたコレクタ発振器はそう呼ばれます。 L と C の組み合わせは、調整回路または周波数決定回路を形成します。
建設
抵抗器R〜1〜、R〜2〜、およびR〜E〜は、DCを提供するために使用されます。 トランジスタへのバイアス。 コンデンサC〜E〜およびCはバイパスコンデンサです。 トランスの2次側はa.cを提供します。 R〜1〜とR〜2〜のベース-エミッタ接合に現れるフィードバック電圧はa.c. バイパスコンデンサCによるグランド コンデンサが存在しない場合、トランスの二次側に誘導される電圧の一部は、トランジスタの入力に完全に移動するのではなく、R〜2〜で降下します。
CE構成のトランジスタは180 ^ o ^の位相シフトを提供するため、トランスによって別の180 ^ o ^の位相シフトが提供され、入力電圧と出力電圧の間で360 ^ o ^の位相シフトが行われます。 次の回路図は、調整されたコレクタ回路の配置を示しています。
操作
電源が供給されると、コレクタ電流が増加し始め、コンデンサCの充電が行われます。 コンデンサが完全に充電されると、インダクタンスL〜1〜を介して放電します。 今、振動が生成されます。 これらの振動により、二次巻線L〜2〜に電圧が発生します。 二次巻線に誘導される電圧の周波数はタンク回路の周波数と同じであり、その大きさは二次巻線の巻数と両方の巻線間の結合に依存します。
L〜2〜の両端の電圧がベースとエミッタの間に印加され、コレクタ回路に増幅された形で現れるため、タンク回路の損失を克服します。 L〜2〜のターン数とL〜1〜とL〜2〜の結合は、L〜2〜の振動がタンク回路に損失を供給するのに十分なレベルまで増幅されるように調整されます。
チューニングされたコレクターオシレーターは、ラジオ受信機の*ローカルオシレーター*として広く使用されています。
調整されたベース発振器
調整された回路はトランジスタ増幅器のベースに配置されるため、調整されたベース発振器はそう呼ばれます。 L と C の組み合わせは、調整回路または周波数決定回路を形成します。
建設
抵抗器R〜1〜、R〜2〜、およびR〜E〜は、DCを提供するために使用されます。 トランジスタへのバイアス。 エミッタ回路でのR〜e〜とC〜e〜の並列の組み合わせが安定化回路です。 C〜C〜はブロッキングコンデンサです。 コンデンサC〜E〜およびCはバイパスコンデンサです。 RFトランスの1次コイルLおよび2次コイルL〜1〜は、コレクターおよびベース回路に必要なフィードバックを提供します。
CE構成のトランジスタは180 ^ o ^の位相シフトを提供するため、トランスによって別の180 ^ o ^の位相シフトが提供され、入力電圧と出力電圧の間で360 ^ o ^の位相シフトが行われます。 次の回路図は、調整されたベース発振器回路の配置を示しています。
操作
回路がオンになると、コレクタ電流が上昇し始めます。 コレクターはコイルL〜1〜に接続されているため、その電流は周囲に磁場を生成します。 これにより、同調回路コイルLに電圧が誘導されます。 フィードバック電圧により、エミッタベース電圧とベース電流が増加します。 したがって、コレクタ電流のさらなる増加が達成され、コレクタ電流が飽和するまでサイクルが続きます。 その間、コンデンサは完全に充電されます。
コレクタ電流が飽和レベルに達すると、Lにはフィードバック電圧がなくなります。 コンデンサは完全に充電されると、Lから放電を開始します。 これにより、エミッタベースバイアスが減少するため、I〜B〜とコレクタ電流も減少します。 コレクタ電流がカットオフに達するまでに、コンデンサCは反対の極性で完全に充電されます。 トランジスタがオフになると、コンデンサCがLを介して放電し始めます。 これにより、エミッターベースのバイアスが増加します。 その結果、コレクタ電流が増加します。
サイクルは、LCでの損失に対応するために十分なエネルギーが供給される限り繰り返されます。 回路。 振動の周波数はL.Cの共振周波数に等しい 回路。
欠点
チューニングされたベースオシレータ回路の主な*欠点*は、チューニングされた回路のシャントに現れる低いベースエミッタ抵抗のために、タンク回路に負荷がかかることです。 これにより、Qが低下し、発振器周波数のドリフトが発生します。 したがって、安定性が低下します。 この理由により、調整された回路は、通常はベース回路に接続されていません。
ハートレー発振器
- 無線受信機*で主に使用される非常に人気のある*ローカル発振器*回路は、*ハートレー発振器*回路です。 ハートレー発振器の構造上の詳細と動作は、以下で説明します。
建設
以下に示すハートレー発振器の回路図では、抵抗R〜1〜、R〜2〜、およびR〜e〜は、回路に必要なバイアス条件を提供します。 コンデンサC〜e〜は交流を提供します。 これにより、信号の劣化が発生します。 これにより、温度が安定します。
コンデンサC〜c〜およびC〜b〜は、DCをブロックするために使用されます。 およびa.c. パス。 無線周波数チョーク（R.F.C）は、高周波電流に対して非常に高いインピーダンスを提供します。 a.cで開きます。 したがって、d.cを提供します。 コレクターにロードし、a.cを保持します。 直流電流 供給元
タンクサーキット
周波数決定ネットワークは、可変コンデンサーCとともにインダクターL〜1〜およびL〜2〜で構成される並列共振回路です。 L〜1〜とL〜2〜の接合部は接地されています。 コイルL〜1〜の一端はC〜c〜を介してベースに接続され、他端はC〜e〜を介してエミッタに接続されています。 したがって、L〜2〜は出力回路にあります。 コイルL〜1〜とL〜2〜は両方とも誘導結合され、一緒に*自動変圧器*を形成します。
次の回路図は、ハートレー発振器の配置を示しています。 タンク回路は、この回路で*シャント給電*されています。 series-fed にすることもできます。
操作
コレクタ電源が供給されると、発振回路またはタンク回路に過渡電流が生成されます。 タンク回路の振動電流は交流を生成します。 L〜1〜の両端の電圧。
L〜1〜とL〜2〜の誘導結合によって作成された*自動変圧器*は、周波数を決定し、フィードバックを確立するのに役立ちます。 CE構成のトランジスタは180 ^ o ^の位相シフトを提供するため、トランスによって別の180 ^ o ^の位相シフトが提供され、入力電圧と出力電圧の間で360 ^ o ^の位相シフトが行われます。
これにより、発振状態に不可欠なフィードバックが正になります。 *ループゲイン|βA|アンプの最大値が1 *より大きい場合、回路内で発振が持続します。
周波数
- ハートレー発振器の周波数*の方程式は
f = \ frac \ {1} \ {2 \ pi \ sqrt \ {L_T C}}
L_T = L_1 + L_2 + 2M
ここで、* L〜T〜は合計累積結合インダクタンスです。 * L〜1〜*および L〜2〜は、1 ^ st ^および2 ^ nd ^コイルのインダクタンスを表します。 *M は相互インダクタンスを表します。
- 相互インダクタンス*は、2つの巻線を考慮した場合に計算されます。
利点
ハートレー発振器の利点は
- 大きな変圧器を使用する代わりに、単一のコイルを自動変圧器として使用できます。
- 可変コンデンサーまたは可変インダクターを使用して、周波数を変えることができます。
- 少ないコンポーネント数で十分です。
- 出力の振幅は、固定周波数範囲で一定のままです。
デメリット
ハートレー発振器の欠点は
- 低周波発振器にすることはできません。
- 高調波歪みが存在します。
アプリケーション
ハートレー発振器の用途は
- 希望の周波数の正弦波を生成するために使用されます。
- 主に無線受信機の局部発振器として使用されます。
- R.Fとしても使用されます。 発振器。
コルピッツ発振器
コルピッツ発振器は、ハートレー発振器と同じように見えますが、インダクタとコンデンサはタンク回路で互いに置き換えられます。 コルピッツ発振器の構造上の詳細と動作は、以下で説明します。
建設
まず、コルピッツ発振器の回路図を見てみましょう。
抵抗R〜1〜、R〜2〜、およびR〜e〜は、回路に必要なバイアス条件を提供します。 コンデンサC〜e〜は交流を提供します。 これにより、信号の劣化が発生します。 これにより、温度が安定します。
コンデンサC〜c〜およびC〜b〜は、DCをブロックするために使用されます。 およびa.c. パス。 無線周波数チョーク（R.F.C）は、高周波電流に対して非常に高いインピーダンスを提供します。 a.cで開きます。 したがって、d.cを提供します。 コレクターにロードし、a.cを保持します。 直流電流 供給元。
タンクサーキット
周波数決定ネットワークは、インダクターLとともに可変コンデンサーC〜1〜およびC〜2〜で構成される並列共振回路です。 C〜1〜とC〜2〜の接合部は接地されています。 コンデンサC〜1〜の一端はC〜c〜を介してベースに接続され、他端はC〜e〜を介してエミッタに接続されています。 C〜1〜の両端に発生する電圧は、持続的な振動に必要な再生フィードバックを提供します。
操作
コレクタ電源が供給されると、発振回路またはタンク回路に過渡電流が生成されます。 タンク回路の振動電流は交流を生成します。 ベースエミッタジャンクションに印加され、コレクタ回路で増幅された形で現れ、タンク回路に損失を与えるC〜1〜の両端の電圧。
端子1が任意の瞬間に端子3に対して正の電位にある場合、端子3は接地されているため、その瞬間に端子2は3に対して負の電位になります。 したがって、ポイント1と2は180 ^ o ^だけ位相がずれています。
CE構成のトランジスタは180 ^ o ^の位相シフトを提供するため、入力電圧と出力電圧間で360 ^ o ^の位相シフトを行います。 したがって、フィードバックは適切に位相調整され、連続的な減衰のない振動が生成されます。 ループゲイン|βA|アンプのが1より大きい場合、回路内で発振が持続します。
周波数
- コルピッツ発振器の周波数*の方程式は
f = \ frac \ {1} \ {2 \ pi \ sqrt \ {LC_T}}
C〜T〜は、直列に接続されたC〜1〜とC〜2〜の合計容量です。
\ frac \ {1} \ {C_T} = \ frac \ {1} \ {C_1} + \ frac \ {1} \ {C_2}
C_T = \ frac \ {C_1 \ times C_2} \ {C_1 + C_2}
利点
コルピッツ発振器の利点は次のとおりです-
- コルピッツ発振器は、非常に高い周波数の正弦波信号を生成できます。
- 高温および低温に耐えることができます。
- 周波数安定度は高いです。
- 両方の可変コンデンサを使用して、周波数を変えることができます。
- 少ないコンポーネント数で十分です。
- 出力の振幅は、固定周波数範囲で一定のままです。
コルピッツ発振器は、ハートレー発振器の欠点を解消するように設計されており、特定の欠点がないことが知られています。 したがって、コルピッツ発振器には多くの用途があります。
アプリケーション
コルピッツ発振器の用途は次のとおりです-
- コルピッツ発振器は、高周波正弦波発生器として使用できます。
- これは、いくつかの関連回路を備えた温度センサーとして使用できます。
- 主に無線受信機の局部発振器として使用されます。
- R.Fとしても使用されます。 発振器。
- また、モバイルアプリケーションでも使用されます。
- 他にも多くの商用アプリケーションがあります。
クラップ発振器
Colpittsオシレーターの高度なバージョンである別のオシレーターは、 Clapp Oscillator です。 この回路は、コルピッツ発振器にいくつかの変更を加えることにより設計されています。
この回路は、コルピッツ発振器と1つの点でのみ異なります。インダクタと直列に接続された追加のコンデンサ（C〜3〜）が1つ含まれています。 コンデンサ（C〜3〜）を追加すると、周波数の安定性が向上し、トランジスタパラメータと浮遊容量の影響がなくなります。
次の回路図は、*トランジスタクラップオシレータ*の配置を示しています。
クラップ発振器回路の動作は、コルピッツ発振器の動作と同じです。 発振器の周波数は次の関係で与えられます。
f_o = \ frac \ {1} \ {2 \ pi \ sqrt \ {L.C}}
どこで
C = \ frac \ {1} \ {\ frac \ {1} \ {C_1} + \ frac \ {1} \ {C_2} + \ frac \ {1} \ {C_3}}
通常、* C〜3〜の値は C〜1〜および C〜2〜よりもはるかに小さくなります。 この結果、 *C は* C〜3〜*にほぼ等しくなります。 したがって、振動の周波数、
f_o = \ frac \ {1} \ {2 \ pi \ sqrt \ {L.C_3}}
クラップ発振器はコルピッツ発振器に似ていますが、インダクタンスとキャパシタンスの配置方法が異なります。 周波数安定性は良好ですが、クラップオシレーターでは可変です。
可変周波数発振器を構築するために、コルピッツ発振器よりもクラップ発振器が好ましい場合があります。 Clappオシレーターは、レシーバーチューニング回路で周波数オシレーターとして使用されます。
位相シフト発振器
発振器の重要な特徴の1つは、適用されるフィードバックエネルギーがタンク回路に対して正しい位相であることです。 これまでに説明した発振回路は、タンク回路または周波数決定回路にインダクタ（L）とコンデンサ（C）の組み合わせを採用しています。
発振器のLCの組み合わせは180 ^ o ^の位相シフトを提供し、CE構成のトランジスタは180°の位相シフトを提供して合計360 ^ o ^の位相シフトを提供し、位相差をゼロにします。
LC回路の欠点
アプリケーションはほとんどありませんが、 LC 回路には次のような*欠点*はほとんどありません。
- 周波数不安定性
- 波形が悪い
- 低周波には使用できません
- インダクタはかさばって高価です
別のタイプの発振回路があります。これは、インダクタを抵抗に置き換えることで作成されます。 そうすることにより、周波数安定性が向上し、良質の波形が得られます。 これらの発振器は、より低い周波数も生成できます。 同様に、回路はかさばらず、高価にもなりません。
したがって、 LC 発振器回路では、 LC 発振器回路のすべての欠点が排除されます。 したがって、RC発振回路の必要性が生じます。 これらは Phase–shift Oscillators とも呼ばれます。
位相シフト発振器の原理
正弦波入力のRC回路の出力電圧が入力電圧よりも進んでいることがわかります。 位相角は、回路で使用されるRCコンポーネントの値によって決まります。 次の回路図は、RCネットワークの単一セクションを示しています。
抵抗Rの両端の出力電圧V〜1〜 'は、入力電圧V〜1〜に入力された電圧よりも位相角ɸ^ o ^だけ進みます。 Rがゼロに減少した場合、V〜1〜 'はV ^ 1〜を90 ^ o でリードします。つまり、ɸ o ^ = 90 ^ o ^です。
ただし、Rをゼロに調整すると、Rの両端に電圧が発生しなくなるため、実用的ではありません。 したがって、実際には、RはV〜1〜 'がV〜1〜を60 ^ o ^リードするような値に変更されます。 次の回路図は、RCネットワークの3つのセクションを示しています。
各セクションは60 ^ o ^の位相シフトを生成します。 その結果、180 ^ o ^の合計位相シフトが生成されます。つまり、電圧V〜2〜は電圧V〜1〜を180 ^ o ^だけ進めます。
位相シフト発振器回路
位相シフトネットワークを使用して正弦波を生成する発振回路は、位相シフト発振回路と呼ばれます。 位相シフト発振回路の構造上の詳細と動作は以下のとおりです。
建設
位相シフト発振器回路は、単一のトランジスタ増幅器セクションとRC位相シフトネットワークで構成されています。 この回路の位相シフトネットワークは、3つのRCセクションで構成されています。 共振周波数f〜o〜では、各RCセクションの位相シフトは60 ^ o ^であるため、RCネットワークによって生成される合計位相シフトは180 ^ o ^です。
次の回路図は、RC位相シフト発振器の配置を示しています。
振動の周波数は
f_o = \ frac \ {1} \ {2 \ pi RC \ sqrt \ {6}}
どこで
R_1 = R_2 = R_3 = R
C_1 = C_2 = C_3 = C
操作
スイッチをオンにすると、回路は共振周波数fで発振します。 アンプの出力E〜o〜は、RCフィードバックネットワークにフィードバックされます。 このネットワークは180 ^ o ^の位相シフトを生成し、その出力には電圧E〜i〜が現れます。 この電圧はトランジスタ増幅器に印加されます。
適用されるフィードバックは
m = E_i/E_o
フィードバックは正しい位相にありますが、CE構成のトランジスタアンプは180 ^ o ^の位相シフトを生成します。 ネットワークとトランジスタによって生成される位相シフトは、ループ全体で360 ^ o ^の位相シフトを形成するために追加されます。
利点
RC位相シフト発振器の利点は次のとおりです-
- トランスやインダクタは不要です。
- 非常に低い周波数を生成するために使用できます。
- この回路は良好な周波数安定性を提供します。
デメリット
RC位相シフト発振器の欠点は次のとおりです-
- フィードバックが小さいため、発振を開始することは困難です。
- 生成される出力はわずかです。
Wien Bridgeオシレーター
人気のあるオーディオ周波数発振器のもう1つのタイプは、ウィーンブリッジ発振器回路です。 これは、その重要な機能のために主に使用されます。 この回路には、*回路変動*と*周囲温度*がありません。
この発振器の主な利点は、周波数が10Hzから約1MHzの範囲で変化できるのに対し、RC発振器では周波数が変化しないことです。
建設
ウィーンブリッジ発振器の回路構成は次のように説明できます。 RCブリッジ回路を備えた2段アンプです。 ブリッジ回路には、アームR〜1〜C〜1〜、R〜3〜、R〜2〜C〜2〜およびタングステンランプL〜p〜があります。 抵抗R〜3〜とランプL〜p〜は、出力の振幅を安定させるために使用されます。
次の回路図は、ウィーンブリッジ発振器の配置を示しています。
トランジスタT〜1〜は発振器と増幅器として機能し、他のトランジスタT〜2〜はインバータとして機能します。 インバーター動作は、180 ^ o ^の位相シフトを提供します。 この回路は、R〜1〜C〜1〜、C〜2〜R〜2〜を介してトランジスタT〜1〜に正帰還を提供し、分圧器を介してトランジスタT〜2〜の入力に負帰還を提供します。
振動の周波数は、ブリッジの直列要素R〜1〜C〜1〜および並列要素R〜2〜C〜2〜によって決まります。
f = \ frac \ {1} \ {2 \ pi \ sqrt \ {R_1C_1R_2C_2}}
R〜1〜= R〜2〜およびC〜1〜= C〜2〜= Cの場合
その後、
f = \ frac \ {1} \ {2 \ pi RC}
今、私たちは次のように上記の回路を簡素化することができます-
発振器は、RC結合アンプの2つのステージとフィードバックネットワークで構成されています。 RとCの並列の組み合わせにかかる電圧は、アンプ1の入力に供給されます。 2つの増幅器の正味の位相シフトはゼロです。
アンプ1が広い周波数範囲で信号を増幅するため、アンプ2の出力をアンプ1に接続して発振器の信号再生を行うという通常の考え方はここでは適用できません。したがって、直接結合すると周波数安定性が低下します。 Wienブリッジフィードバックネットワークを追加することにより、発振器は特定の周波数に敏感になり、周波数安定性が実現します。
操作
回路がオンになると、ブリッジ回路は上記の周波数の振動を生成します。 2つのトランジスタは360 ^ o ^の合計位相シフトを生成するため、適切な正帰還が保証されます。 回路内の負帰還により、一定の出力が保証されます。 これは、温度に敏感なタングステンランプL〜p〜によって実現されます。 その抵抗は電流とともに増加します。
出力の振幅が増加すると、より多くの電流が生成され、より多くの負帰還が達成されます。 このため、出力は元の値に戻ります。 一方、出力が減少する傾向がある場合は、逆のアクションが発生します。
利点
ウィーンブリッジ発振器の利点は次のとおりです-
- この回路は良好な周波数安定性を提供します。
- 一定の出力を提供します。
- 回路の操作は非常に簡単です。
- 2つのトランジスタのため、全体的なゲインは高くなっています。
- 振動の周波数は簡単に変更できます。
- R〜2〜をサーミスタに置き換えることにより、出力電圧の振幅安定性をより正確に維持できます。
デメリット
ウィーンブリッジ発振器の欠点は次のとおりです-
- 回路は非常に高い周波数を生成できません。
- 回路構成には、2つのトランジスタとコンポーネントの数が必要です。
水晶発振器
発振器が連続動作しているときはいつでも、その*周波数安定性*が影響を受けます。 その頻度に変化が生じます。 発振器の周波数に影響を与える主な要因は次のとおりです。
- 電源バリエーション
- 温度変化
- 負荷または出力抵抗の変化
RCおよびLC発振器では、抵抗、容量、およびインダクタンスの値が温度によって変化するため、周波数が影響を受けます。 この問題を回避するために、圧電結晶が発振器で使用されています。
並列共振回路に圧電結晶を使用すると、発振器の周波数安定度が高くなります。 このような発振器は、*水晶発振器*と呼ばれます。
水晶発振器
水晶発振器の原理は、*ピエゾ電気効果*に依存します。 結晶の自然な形状は六角形です。 水晶ウエハがX軸に垂直に湾曲している場合、Xカットと呼ばれ、Y軸に沿って切断されている場合、Yカットと呼ばれます。
水晶発振器で使用される水晶は、ピエゾ電気特性と呼ばれる特性を示します。 それでは、圧電効果について考えてみましょう。
圧電効果
結晶は、結晶の一方の面に機械的応力が加えられると、結晶の反対面に電位差が生じるという特性を示します。 逆に、面の1つに電位差が適用されると、他の面に沿って機械的応力が生成されます。 これは、*ピエゾ電気効果*として知られています。
ロシェル塩、石英、トルマリンなどの特定の結晶材料は、圧電効果を示し、そのような材料は「ピエゾ電気結晶」と呼ばれます。 水晶は、安価で自然界で容易に入手できるため、最も一般的に使用される圧電結晶です。
圧電結晶が適切な交流電位にさらされると、機械的に振動します。 機械的振動の振幅は、交流電圧の周波数が水晶の固有振動数に等しいときに最大になります。
水晶の働き
電子回路で水晶を動作させるために、水晶はコンデンサの形で2つの金属板の間に配置されます。 *クォーツ*は、入手が容易でありながら安価であるため、最もよく使用されるタイプのクリスタルです。 AC電圧は水晶と並列に印加されます。
水晶振動子の回路配置は以下のようになります-
AC電圧が印加されると、水晶は印加された電圧の周波数で振動し始めます。 ただし、印加電圧の周波数を水晶の固有振動数に等しくすると、*共振*が発生し、水晶の振動が最大値に達します。 この固有振動数はほぼ一定です。
クリスタルの等価回路
水晶を同等の電気回路で表現しようとする場合、振動する場合と振動しない場合の2つのケースを考慮する必要があります。 以下の図は、それぞれ水晶のシンボルと電気的等価回路を表しています。
上記の等価回路は、キャパシタンスC〜m〜と並列の直列R-L-C回路で構成されています。 AC電源の両端に取り付けられた水晶が振動していない場合、静電容量C〜m〜と同等です。 水晶が振動すると、調整されたR-L-C回路のように機能します。
周波数応答
水晶の周波数応答は次のとおりです。 グラフは、リアクタンス（X〜L〜またはX〜C〜）対周波数（f）を示します。 水晶には2つの近接した共振周波数があることが明らかです。
1つ目は直列共振周波数（f〜s〜）です。これは、インダクタンス（L）のリアクタンスがキャパシタンスCのリアクタンスに等しいときに発生します。 その場合、等価回路のインピーダンスは抵抗Rに等しく、発振周波数は次の関係で与えられます。
f = \ frac \ {1} \ {2 \ pi \ sqrt \ {L.C}}
2つ目は並列共振周波数（f〜p〜）です。これは、R-L-CブランチのリアクタンスがコンデンサC〜m〜のリアクタンスに等しいときに発生します。 この周波数では、水晶は外部回路に対して非常に高いインピーダンスを提供し、発振の周波数は関係によって与えられます。
f_p = \ frac \ {1} \ {2 \ pi \ sqrt \ {L.C_T}}
どこで
C_T = \ frac \ {C C_m} \ {（C + C_m）}
通常、C〜m〜の値はCと比較して非常に大きいです。 したがって、C〜T〜の値はCにほぼ等しく、したがって、直列共振周波数は並列共振周波数にほぼ等しくなります（つまり、f〜s〜= f〜p〜）。
水晶発振回路
水晶発振器回路は、水晶制御チューニングコレクター発振器、コルピッツ水晶発振器、クラップ水晶発振器など、さまざまな方法で構築できます。 しかし、*トランジスタピアスクリスタルオシレータ*が最も一般的に使用されています。 これは、通常水晶発振回路と呼ばれる回路です。
次の回路図は、トランジスタピアス水晶発振器の配置を示しています。
この回路では、水晶はコレクタからベースへのフィードバックパスに直列要素として接続されています。 抵抗器R〜1〜、R〜2〜、およびR〜E〜は、分圧安定化直流を提供します。 バイアス回路。 コンデンサC〜E〜は交流を提供します。 エミッター抵抗とRFC（無線周波数チョーク）コイルのバイパスにより、DC a.c.を切り離しながらバイアス 電力線の信号が出力信号に影響しないようにします。 結合コンデンサCのインピーダンスは、回路の動作周波数で無視できます。 ただし、DCはブロックされます。 コレクターとベースの間。
発振の回路周波数は水晶の直列共振周波数によって設定され、その値は次の関係によって与えられます。
f_o = \ frac \ {1} \ {2 \ pi \ sqrt \ {L.C}}
供給電圧、トランジスタデバイスパラメータなどの変化に注意することができます 水晶によって安定化された状態に保たれる回路動作周波数に影響を与えません。
利点
水晶発振器の利点は次のとおりです-
- それらは高次の周波数安定性を持っています。
- 水晶の品質係数（Q）は非常に高いです。
デメリット
水晶発振器の欠点は次のとおりです-
- それらは壊れやすく、低電力回路で使用できます。
- 振動の周波数はあまり変更できません。
発振器の周波数安定性
発振器は、回路動作のためにより滑らかで明確な正弦波出力を得るために、変動なしでより長い期間その周波数を維持することが期待されます。 したがって、正弦波であろうと非正弦波であろうと、発振器に関しては周波数安定性という用語が本当に重要になります。
発振器の周波数安定性は、可能な限り長時間にわたって必要な周波数を一定に維持する発振器の能力として定義されます。 この周波数安定性に影響を与える要因について議論してみましょう。
動作点の変更
私たちはすでにトランジスタのパラメータに出会い、動作点がどれほど重要かを学びました。 増幅回路（BJTまたはFET）で使用されているトランジスタのこの動作点の安定性は、より重要な考慮事項です。
使用されるアクティブデバイスの動作は、その特性の線形部分になるように調整されます。 この点は温度の変動によりシフトするため、安定性が影響を受けます。
温度変化
発振器回路のタンク回路には、抵抗、コンデンサ、インダクタなどのさまざまな周波数決定コンポーネントが含まれています。 それらのパラメーターはすべて温度に依存します。 温度の変化により、それらの値は影響を受けます。 これにより、発振回路の周波数が変化します。
電源による
供給電力の変動も周波数に影響します。 電源の変動は、V〜cc〜の変動につながります。 これは、生成される振動の周波数に影響します。
これを回避するために、安定化電源システムが実装されています。 これは要するにRPSと呼ばれます。 安定化電源の詳細は、電子回路チュートリアルの電源セクションで明確に説明されています。
出力負荷の変化
出力抵抗または出力負荷の変動は、発振器の周波数にも影響します。 負荷が接続されると、タンク回路の実効抵抗が変化します。 その結果、LC調整回路のQファクターが変更されます。 これにより、発振器の出力周波数が変化します。
素子間容量の変化
素子間容量は、ダイオードやトランジスタなどのPN接合材料で発生する容量です。 これらは、動作中に電荷が存在するために開発されます。
素子間コンデンサは、温度、電圧などのさまざまな理由により変化します。 この問題は、問題の要素間コンデンサにスワンピングコンデンサを接続することで解決できます。
Qの値
Q（品質係数）の値は、オシレーターで高くなければなりません。 調整された発振器のQの値は、選択性を決定します。 このQは調整された回路の周波数安定性に正比例するため、Qの値は高く維持する必要があります。
周波数安定性は、数学的に次のように表すことができます。
S_w = d \ theta/dw
ここで、dθは、公称周波数f〜r〜の小さな周波数変化に対して導入される位相シフトです。 （dθ/dw）の値が大きいほど、発振周波数はより安定します。
負性抵抗発振器
負性抵抗特性で動作する発振器は、負性抵抗発振器と呼ばれます。 「負性抵抗」という用語は、2点間の電圧が増加すると電流が減少する状態を指します。 一部の非線形デバイスは、特定の条件下で負の抵抗特性を示します。
負性抵抗特性
負の抵抗特性を示す非線形デバイスに電圧が印加されたときの動作を観察してみましょう。 この特性を理解するために、下のグラフを観察して、電圧と電流の変動を見つけましょう。
順方向電圧が増加すると、電流は急速に増加し、ピーク電流*と呼ばれる I〜P〜で示されるピーク点まで増加します。 この時点での電圧は、*ピーク電圧*と呼ばれ、 V〜P〜で示されます。 この点は、上のグラフの *A で示されています。 ポイント A は*ピークポイント*と呼ばれます。
電圧が* V〜P〜を超えてさらに増加すると、電流は減少し始めます。 * I〜V〜*で示される *Valley Current と呼ばれるポイントまで減少します。 この時点の電圧は Valley Voltage と呼ばれ、* V〜V〜で示されます。 この点は、上のグラフの *B で示されています。 ポイント B は Valley Point と呼ばれます。
したがって、ポイント A とポイント B の間の領域は、負性抵抗領域*を示します。 谷点に到達し、電圧がさらに増加すると、電流が増加し始めます。 これは、負性抵抗領域が終了し、デバイスがオームの法則に従って正常に動作することを意味します。 この領域は *Positive Resistance region と呼ばれ、グラフのポイント B からポイント C で示されます。
動作中に負の抵抗特性を示す発振器はほとんどありません。 単接合発振器は、負の抵抗特性を示す非正弦波発振器（出力としてスイープ波形を生成する）の最良の例であり、トンネルダイオード発振器は、負の抵抗特性を示す正弦波発振器の最良の例です。
このチュートリアルの次の章では、トンネルダイオード発振器について詳しく説明します。
トンネルダイオード発振器
トンネルダイオードを使用して構築された発振回路は、トンネルダイオード発振器と呼ばれます。 通常のPN接合の不純物濃度が大幅に増加すると、この*トンネルダイオード*が形成されます。 発明者にちなんで*江崎ダイオード*としても知られています。
トンネルダイオード
ダイオードの不純物濃度が増加すると、空乏領域の幅が減少し、電荷キャリアに余分な力が加わり、接合部を通過します。 空乏領域の幅が狭くなり、電荷キャリアのエネルギーが増加するため、この濃度がさらに増加すると、ポテンシャル障壁を乗り越えずにポテンシャル障壁を貫通します。 この浸透は、*トンネル*と理解されるため、*トンネルダイオード*という名前になります。
次の画像は、実用的なトンネルダイオードがどのように見えるかを示しています。
トンネルダイオードの記号は以下のとおりです。
トンネルダイオードの詳細については、リンク：/basic_electronics/index [Basic Electronics]チュートリアルを参照してください。
トンネルダイオード発振器
トンネルダイオードは、ほぼ10 GHzの非常に高い周波数の信号の生成に役立ちます。 実用的なトンネルダイオード回路は、トンネルダイオードDを介してタンク回路に接続されたスイッチS、抵抗R、および電源Vで構成されます。
ワーキング
選択される抵抗の値は、負性抵抗領域の中間でトンネルダイオードをバイアスするような方法である必要があります。 下の図は、実用的なトンネルダイオード発振器回路を示しています。
この回路では、抵抗R〜1〜はダイオードに適切なバイアスを設定し、抵抗R〜2〜はタンク回路に適切な電流レベルを設定します。 抵抗R〜p〜インダクタLとコンデンサCの並列の組み合わせは、選択された周波数で共振するタンク回路を形成します。
スイッチSが閉じられると、回路電流は一定値に向かって直ちに上昇し、その値は抵抗Rの値とダイオード抵抗によって決まります。 ただし、トンネルダイオードの電圧降下V〜D〜がピークポイント電圧V〜p〜を超えると、トンネルダイオードは負の抵抗領域に駆動されます。
この領域では、電圧V〜D〜が谷点電圧V〜v〜に等しくなるまで、電流が減少し始めます。 この時点で、電圧V〜D〜がさらに増加すると、ダイオードが正の抵抗領域に駆動されます。 この結果、回路電流が増加する傾向があります。 この回路の増加により、抵抗Rでの電圧降下が増加し、電圧V〜D〜が減少します。
V-I特性曲線
次のグラフは、トンネルダイオードのV-I特性を示しています-
曲線ABは、電圧が増加する一方で抵抗が減少するため、負性抵抗領域を示します。 曲線ABの中央にQポイントが設定されていることは明らかです。 Qポイントは、回路動作中にポイントAとBの間を移動できます。 ポイントAは*ピークポイント*と呼ばれ、ポイントBは*バレーポイント*と呼ばれます。
動作中、ポイントBに到達した後、回路電流が増加すると、抵抗Rでの電圧降下が増加し、電圧V〜D〜が減少します。 これにより、ダイオードが負の抵抗領域に戻ります。
電圧V〜D〜の減少は電圧V〜P〜に等しく、これにより1サイクルの動作が完了します。 これらのサイクルの継続は、正弦波出力を与える連続振動を生成します。
利点
トンネルダイオード発振器の利点は次のとおりです-
- スイッチング速度が高速です。
- 高周波に対応できます。
デメリット
トンネルダイオード発振器の欠点は次のとおりです-
- これらは低電力デバイスです。
- トンネルダイオードは少し高価です。
アプリケーション
トンネルダイオード発振器の用途は次のとおりです-
- リラクゼーションオシレーターで使用されます。
- マイクロ波発振器で使用されます。
- 超高速スイッチングデバイスとしても使用されます。
- ロジックメモリストレージデバイスとして使用されます。
すべての主要な正弦波発振器回路をカバーした後、今までに述べたような多くの発振器があることに注意する必要があります。 正弦波形を生成する発振器は、説明したように正弦波発振器です。
非正弦波の波形（長方形、掃引、三角波など）を生成する発振器は、リンク：/pulse_circuits/index [パルス回路]チュートリアルで詳細に説明した非正弦波の発振器です。
