正弦波発振器-クイックガイド

アン oscillatorAC入力信号なしで出力を生成します。電子発振器は、非常に高い周波数でDCエネルギーをACに変換する回路です。正帰還のある増幅器は、発振器として理解することができます。

増幅器対発振器

アン amplifier 適用される入力信号の信号強度を増加させますが、 oscillatorその入力信号なしで信号を生成しますが、その動作にはDCが必要です。これがアンプとオシレーターの主な違いです。

次の図を見てください。これは、アンプがDC電源からエネルギーを取得し、それを信号周波数でACエネルギーに変換する方法を明確に示しています。発振器は、それ自体で発振AC信号を生成します。

増幅器によって生成されるAC電力の周波数、波形、および大きさは、入力に印加されるAC信号電圧によって制御されますが、発振器の場合は、回路自体のコンポーネントによって制御されるため、外部制御電圧は必要ありません。。

オルタネーターとオシレーター

アン alternatorは、入力なしで正弦波を生成する機械装置です。このAC発電機は、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、極の数と電機子の回転速度に依存します。

以下の点は、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ACエネルギーに変換し、発振器はDCエネルギーをACエネルギーに変換します。
発振器は数MHzのより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品がありますが、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方が発振周波数を変えるのは簡単です。

発振器は、DCをACに変換するため、ACをDCに変換する整流器の反対と見なすこともできます。整流器の詳細については、電子回路のチュートリアルを参照してください。

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-

Sinusoidal Oscillators −正弦波形の出力を生成する発振器は、 sinusoidal または harmonic oscillators。このような発振器は、20Hzから1GHzの範囲の周波数で出力を提供できます。
Non-sinusoidal Oscillators −正方形、長方形、または鋸歯状の波形を持つ出力を生成する発振器は、 non-sinusoidal または relaxation oscillators。このような発振器は、0Hzから20MHz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は、パルス回路のチュートリアルから学ぶことができます。

正弦波発振器

正弦波発振器は次のカテゴリに分類できます-

Tuned Circuit Oscillators−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RF発振器としても知られています。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 Oscillators−発振器は抵抗とコンデンサを使用し、低周波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、それらは可聴周波数（AF）発振器としても知られています。このような発振器は、位相シフト発振器とウィーンブリッジ発振器です。
Crystal Oscillators−これらの発振器は水晶振動子を使用し、最大10MHz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。
Negative-resistance Oscillator−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性抵抗特性を使用します。同調ダイオード発振器は、負性抵抗発振器の一例です。

正弦波振動の性質

正弦波の振動の性質は、一般に2つのタイプがあります。彼らですdamped そして undamped oscillations。

減衰振動

振幅が時間とともに減少し続ける電気振動は、次のように呼ばれます。 Damped Oscillations。減衰振動の周波数は、回路パラメータによっては一定のままである場合があります。

減衰振動は一般に、電力損失を生成し、必要に応じて補償しない発振回路によって生成されます。

減衰されていない振動

振幅が時間とともに一定のままである電気振動は、次のように呼ばれます。 Undamped Oscillations。減衰されていない振動の周波数は一定のままです。

減衰されていない発振は、一般に、電力損失を生成せず、電力損失が発生した場合に補償技術に従う発振回路によって生成されます。

正のフィードバックを備えた増幅器は、出力が入力と同相になるように生成し、信号の強度を高めます。正のフィードバックは、degenerative feedback または direct feedback。この種のフィードバックは、フィードバックアンプ、発振器になります。

正のフィードバックを使用すると、開ループゲインよりも閉ループゲインが大きいフィードバックアンプが得られます。その結果instability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された出力信号を提供します。

発振回路

発振回路は、目的の周波数の電気発振を生成します。彼らはまたとして知られていますtank circuits。

単純なタンク回路は、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電源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は過剰な電子があり、下部プレートには電子が不足しています。コンデンサはある程度の静電エネルギーを保持し、コンデンサの両端に電圧があります。

スイッチが Sが閉じられると、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、コイルの周りの磁場が最大になります。

それでは、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、磁場は崩壊し始め、レンツの法則に従ってカウンターEMFを生成します。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。

次の回路図に示すように、コンデンサが完全に充電されると、コンデンサは放電を開始してコイルの周囲に磁場を形成します。

この充電と放電の継続により、電子または電子の交互の動きが発生します。 oscillatory current。LとCの間のエネルギーの交換は、継続的に生成されますoscillations。

損失が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、次のような損失が発生しますresistive そして radiation losses コイルと dielectric lossesコンデンサーで。これらの損失により、振動が減衰します。

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によって決定されます。 the L そして the C。振動の実際の周波数はresonant frequency によって与えられるタンク回路の（または固有振動数）

$$f_r = \frac{1}{2 \pi \sqrt{LC}}$$

コンデンサの静電容量

F振動の周波数_o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と、充電時間と放電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

F振動の周波数_o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と、電流の変化に対する抵抗が大きくなるため、各サイクルの完了に必要な時間が長くなり、期間が長くなり、周波数が低くなります。

数学的には、頻度、

$$f_o \propto 1\sqrt{L}$$

上記の両方の方程式を組み合わせると、

$$f_o \propto \frac{1}{\sqrt{LC}}$$

$$f_o = \frac{1}{2 \pi \sqrt{LC}}$$

上記の式は、出力周波数を示していますが、 natural frequency または resonance frequency タンク回路の。

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。これらの振動は持続する必要があり、前に説明したように減衰しない必要があります。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。

実用的な発振器回路

実用的な発振器回路は、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。

ここで、この実用的な発振回路の部品について説明しましょう。

Tank Circuit −タンク回路は、コンデンサ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 C。これらの2つの成分の値が発振回路の周波数を決定するため、これは次のように呼ばれます。Frequency determining circuit。
Transistor Amplifier−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た発振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。
Feedback Circuit−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回路に転送することです。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、長い時間間隔にわたって一定の周波数を維持する能力の尺度です。長時間動作させた場合、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可能性があります。

発振器周波数の変化は、以下の要因により発生する可能性があります。

使用する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を与えます。
アクティブデバイスに印加されるDC電源電圧の変化により、発振器の周波数がシフトします。安定化電源を使用すると、これを回避できます。
出力負荷が変化すると、タンク回路のQ値が変化し、発振器の出力周波数が変化する場合があります。
エレメント間容量と浮遊容量の存在は、発振器の出力周波数に影響を与え、したがって周波数の安定性に影響を与えます。

バルクハウゼン基準

これまでの知識から、実用的な発振回路は、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一般的に2つの部分で構成されています。彼らはamplifier そしてその feedback circuit。フィードバック回路は通常、抵抗で構成されています。フィードバックアンプの概念は、下の図から理解できます。

上記の図から、増幅器の利得がAと表される増幅器の利得は、入力電圧Vに対する出力電圧Voの比である_I。フィードバック回路網は、電圧V抽出_F =βのV _O、出力Vから_O増幅器のを。

この電圧は、信号電圧V _sから、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減算されます。

だから、正のフィードバックのために、

V _i = V _s + V _f = V _s + _βVo

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分数と呼ばれます。

出力V _Oは、入力電圧（Vに等しくなければならない_S +βVの_O増幅器のゲインAを乗じました）。

したがって、

$$(V_s + \beta V_o)A = V_o$$

または

$$AV_s + A\beta V_o = V_o$$

または

$$AV_s = V_o(1 - A\beta)$$

したがって、

$$\frac{V_o}{V_s} = \frac{A}{1 - A\beta}$$

A _fをアンプの全体的なゲイン（フィードバックによるゲイン）とします。これは、出力電圧Vの比として定義される_O印加される信号電圧V _S、すなわち、

$$A_f = \frac{Output \: Voltage}{Input \: Signal \: Voltage} = \frac{V_o}{V_s}$$

上記の2つの式から、正のフィードバックを持つフィードバックアンプのゲインの式は次の式で与えられることが理解できます。

$$A_f = \frac{A}{1 - A\beta}$$

どこ Aβ それは feedback factor または loop gain。

Aβ= 1の場合、A _f =∞。したがって、ゲインは無限大になります。つまり、入力なしで出力されます。言い換えれば、アンプはオシレーターとして機能します。

条件Aβ= 1は次のように呼ばれます Barkhausen Criterion of oscillations。これは、オシレーターの概念において常に心に留めておくべき非常に重要な要素です。

同調回路発振器は、同調回路の助けを借りて発振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 oscillators, resonant circuit oscillators または tank circuit oscillators。

同調回路発振器は、1MHzから500MHzの範囲の周波数で出力を生成するために使用されます。したがって、これらは次のようにも知られています。 R.F. Oscillators。BJTまたはFETは、同調回路発振器を備えた増幅器として使用されます。増幅器とLCタンク回路を使用すると、適切な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

無線送信機と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。回路内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。

Tuned-collector or Armstrong Oscillator−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。しかし、LC回路は基本回路にあります。
Hartley Oscillator −誘導フィードバックを使用します。
Colpitts Oscillator −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オシレーター

同調回路はトランジスタ増幅器のコレクタに配置されているため、同調コレクタ発振器はそのように呼ばれます。の組み合わせL そして C 同調回路または周波数決定回路を形成します。

建設

抵抗R ₁、R ₂及びR _EはトランジスタにDCバイアスを提供するために使用されます。コンデンサ_CEとCはバイパスコンデンサです。変圧器の二次はRのベース・エミッタ接合の両端に現れることACフィードバック電圧を提供する₁及びR _2は、原因によってバイパスコンデンサCのケースにACグランドであるが、コンデンサは存在しない、に誘起される電圧の一部変圧器の二次はR降下なる₂完全トランジスタの入力に行くのではなく。

CE構成のトランジスタは180 ^°の位相シフトを提供するため、トランスによってさらに180 ^°の位相シフトが提供され、入力電圧と出力電圧の間で360 ^°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たとき、それはインダクタンスLを介して放電する₁。これで振動が発生します。これらの振動は二次巻線Lに、いくつかの電圧を誘導する₂。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の両端の電圧は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、タンク回路の損失を克服します。Lの巻き数₂とLとの間の結合₁及びL _2はそうLを横切る振動ように調整されている_2は、タンク回路の損失を供給するだけで十分なレベルまで増幅されます。

調整されたコレクター発振器は、 local oscillator ラジオ受信機で。

調整されたベースオシレーター

同調回路がトランジスタ増幅器のベースに配置されているため、同調ベース発振器はそのように呼ばれます。の組み合わせL そして C 同調回路または周波数決定回路を形成します。

建設

抵抗R ₁、R ₂及びR _EはトランジスタにDCバイアスを提供するために使用されます。Rとの並列の組合せ_E及びC _Eエミッタ回路では、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_CEとCはバイパスコンデンサです。次コイルL1と二次コイルL ₁コレクタとベース回路に必要なフィードバックを提供する変圧器RFの。

CE構成のトランジスタは180 ^°の位相シフトを提供するため、トランスによってさらに180 ^°の位相シフトが提供され、入力電圧と出力電圧の間で360 ^°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。コレクタは、コイルLに接続されているように₁、電流がその周囲にいくつかの磁場を生成します。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く。その間、コンデンサは完全に充電されています。

場合コレクタ電流に達する飽和レベルコンデンサが完全に充電されているように、L.には帰還電圧が存在しない、それはL.これを通して放電を開始エミッタベースバイアスを減少させ、したがって、I _B、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はLを介して放電を開始します。これにより、エミッタベースバイアスが増加します。その結果、コレクタ電流が増加します。

十分なエネルギーが供給されている限り、このサイクルが繰り返されます meet the lossesLC回路で。発振周波数はLC回路の共振周波数と同じです。

欠点

メイン drawback同調ベース発振回路の特徴は、同調回路とのシャントに現れるベース-エミッタ抵抗が低いため、タンク回路に負荷がかかることです。これによりQが減少し、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、同調回路はnot 通常 connected in base 回路。

とても人気があります local oscillator 主に使用される回路 radio receivers それは Hartley Oscillator回路。ハートレー発振器の構造の詳細と動作は以下のとおりです。

建設

以下に示すハートレー発振回路の回路図において、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、それによって任意の信号変性を提供するAC接地を提供します。これはまた温度安定化を提供します。

コンデンサC _CとC _Bは、直流を遮断し、交流パスを提供するために使用されています。無線周波数チョーク（RFC）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。つまり、DCを短絡し、ACを開きます。したがって、コレクターにDC負荷を提供し、AC電流をDC電源から遮断します。

タンク回路

周波数決定ネットワークは、インダクタLから成る並列共振回路であり、₁およびL ₂可変キャパシタC Lの接合に伴う₁及びL ₂接地されています。コイルＬ_１は、その一端がＣ_ｃを介してベースに接続され、他端がＣ_ｅを介してエミッタに接続されている。だから、L _2は出力回路です。Lコイルの両方の₁およびL ₂誘導結合と一緒になってANを形成していますAuto-transformer。

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shunt fedこの回路で。それはまたすることができますseries-fed。

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。タンク回路内の振動電流がLを横切って交流電圧を生成する₁。

ザ・ auto-transformerLの誘導結合によって作ら₁及びL ₂周波数を決定するのに役立ち、フィードバックを確立します。CE構成のトランジスタは180 ^°の位相シフトを提供するため、トランスによってさらに180 ^°の位相シフトが提供され、入力電圧と出力電圧の間で360 ^°の位相シフトが行われます。

これにより、振動の状態に不可欠なフィードバックが正になります。いつloop gain |βA| of the amplifier is greater than one、発振は回路内で維持されます。

周波数

の方程式 frequency of Hartley oscillator として与えられます

$$f = \frac{1}{2 \pi \sqrt{L_T C}}$$

$$L_T = L_1 + L_2 + 2M$$

ここに、 L_T 累積結合インダクタンスの合計です。 L₁ そして L₂1のインダクタンス表し^STと2^番目のコイル。そしてM 相互インダクタンスを表します。

Mutual inductance 2つの巻線を考慮して計算されます。

利点

ハートレー発振器の利点は次のとおりです。

大型の変圧器を使用する代わりに、単一のコイルを単巻変圧器として使用できます。
周波数は、可変コンデンサまたは可変インダクタのいずれかを使用することによって変更できます。
コンポーネントの数は少なくて済みます。
出力の振幅は、固定周波数範囲にわたって一定のままです。

短所

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次のとおりです。

これは、目的の周波数の正弦波を生成するために使用されます。
主にラジオ受信機の局部発振器として使用されます。
RF発振器としても使用されます。

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内で互いに交換されています。コルピッツ発振器の構造の詳細と動作は以下のとおりです。

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及びR _E回路の提供に必要なバイアス条件を。コンデンサC _Eは、それによって任意の信号変性を提供するAC接地を提供します。これはまた温度安定化を提供します。

タンク回路

周波数決定ネットワークは、可変コンデンサCから成る並列共振回路であり、₁およびC ₂ Cの接合インダクタLと共に₁及びC _2は接地されています。コンデンサC _1は、 Cを介してベースに接続され、その一端有する_C及びエミッタを介してCに他の_電子を。C _1の両端に発生する電圧は、持続的な発振に必要な回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、C _1の両端にAC電圧を生成します。この電圧は、ベースエミッタ接合に印加され、コレクタ回路に増幅された形で現れ、タンク回路に損失を供給します。

端子1がいつでも端子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、端子2はその瞬間に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 ^°位相がずれています。

CE構成のトランジスタは180 ^°の位相シフトを提供するため、入力電圧と出力電圧の間で360 ^°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、連続的な非減衰振動を生成します。いつloop gain |βA| of the amplifier is greater than one, oscillations are sustained 回路内。

周波数

の方程式 frequency of Colpitts oscillator として与えられます

$$f = \frac{1}{2 \pi \sqrt{LC_T}}$$

C _Tは、 Cの総容量で₁およびC ₂が直列に接続されています。

$$\frac{1}{C_T} = \frac{1}{C_1} + \frac{1}{C_2}$$

$$C_T = \frac{C_1 \times C_2}{C_1 + C_2}$$

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。
それは高温と低温に耐えることができます。
周波数安定性が高い。
両方の可変コンデンサを使用することにより、周波数を変えることができます。
コンポーネントの数は少なくて済みます。
出力の振幅は、固定周波数範囲にわたって一定のままです。

コルピッツ発振器は、ハートレー発振器の欠点を排除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とともに温度センサーとして使用できます。
主にラジオ受信機の局部発振器として使用されます。
RF発振器としても使用されます。
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。

コルピッツ発振器の高度なバージョンである別の発振器は Clapp Oscillator。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って設計されています。

回路は1つの点でのみコルピッツ発振器と異なります。インダクタと直列に接続された1つの追加コンデンサ（C ₃）が含まれています。コンデンサ（C ₃）を追加すると、周波数の安定性が向上し、トランジスタのパラメータや浮遊容量の影響がなくなります。

次の回路図は、 transistor Clapp oscillator。

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

$$C = \frac{1}{\frac{1}{C_1} + \frac{1}{C_2} + \frac{1}{C_3}}$$

通常、の値 C₃ よりはるかに小さい C₁ そして C₂。結果的に、C にほぼ等しい C₃。したがって、発振周波数は、

$$f_o = \frac{1}{2 \pi \sqrt{L.C_3}}$$

クラップ発振器はコルピッツ発振器に似ていますが、インダクタンスと静電容量の配置方法が異なります。周波数の安定性は良好ですが、クラップ発振器では可変です。

可変周波数発振器を構築するために、クラップ発振器がコルピッツ発振器よりも好まれる場合があります。クラップ発振器は、受信機のチューニング回路で周波数発振器として使用されます。

発振器の重要な機能の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必要があることです。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。

我々は、発振器におけるLCの組み合わせ180を提供することを観察した^oを360の合計にする180°の位相シフトを提供CE構成の位相シフト及びトランジスタ^O、それは位相でゼロ差を作ることになるように位相シフトを。

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 回路はほとんどありません drawbacks といった

周波数の不安定性
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り、高価です

インダクタを抵抗に置き換えることで作られる別のタイプの発振回路があります。そうすることにより、周波数安定性が向上し、高品質の波形が得られます。これらの発振器は、より低い周波数を生成することもできます。同様に、回路はかさばらず、高価にもなりません。

のすべての欠点 LC したがって、発振回路は RC発振回路。したがって、RC発振回路が必要になります。これらは、Phase–shift Oscillators。

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っています。それが導く位相角は、回路で使用されるRCコンポーネントの値によって決定されます。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。

出力電圧V ₁、抵抗Rリード線を横切る'入力電圧が入力印加V _1を、いくつかの位相角ɸにより^O。Rがゼロに減少した場合、V ₁ '、Vつながる₁ 90 ^Oすなわち、ɸ ^O = 90 ^O。

それ故R.またがって電圧をもたらすしかし、ゼロにRを調整することは、不可能であろう、実際には、Rは、Vせるような値に変化する₁リードVに' ₁ 60によって^、O。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 ^°の位相シフトを生成します。その結果、180の全位相シフト^Oは、すなわち、電圧V生成される_2点のリード電圧V ₁ 180 ^、O。

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の詳細と動作は以下のとおりです。

建設

位相シフト発振回路は、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_fo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^180o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。

振動の周波数は次の式で与えられます。

$$f_o = \frac{1}{2\pi RC \sqrt{6}}$$

どこ

$$R_1 = R_2 = R_3 = R$$

$$C_1 = C_2 = C_3 = C$$

操作

回路は、場合共振周波数fで振動にオン_O。アンプの出力_Eo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 ^°の位相シフトを生成し、電圧_Eiがその出力に現れます。この電圧はトランジスタアンプに印加されます。

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ですが、CE構成のトランジスタ増幅器は180 ^°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が加算されて、ループ全体の周りに360 ^°の位相シフトが形成されます。

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必要ありません。
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。

短所

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、発振を開始するのは困難です。
生成される出力は小さいです。

人気のある可聴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。この回路は無料ですcircuit fluctuations そしてその ambient temperature。

この発振器の主な利点は、周波数を10Hzから約1MHzの範囲で変更できるのに対し、RC発振器では周波数を変更できないことです。

建設

ウィーンブリッジ発振器の回路構成は以下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。ブリッジ回路は、アームがR有する_1個のC ₁、R ₃、R ₂ C ₂及びタングステンランプLの_Pを。抵抗R ₃及びランプLの_Pは、出力の振幅を安定化するために使用されます。

The following circuit diagram shows the arrangement of a Wien bridge oscillator.

The transistor T₁ serves as an oscillator and an amplifier while the other transistor T₂ serves as an inverter. The inverter operation provides a phase shift of 180^o. This circuit provides positive feedback through R₁C₁, C₂R₂ to the transistor T₁ and negative feedback through the voltage divider to the input of transistor T₂.

The frequency of oscillations is determined by the series element R₁C₁ and parallel element R₂C₂ of the bridge.

$$f = \frac{1}{2 \pi \sqrt{R_1C_1R_2C_2}}$$

If R₁ = R₂ and C₁ = C₂ = C

Then,

$$f = \frac{1}{2\pi RC}$$

Now, we can simplify the above circuit as follows −

The oscillator consists of two stages of RC coupled amplifier and a feedback network. The voltage across the parallel combination of R and C is fed to the input of amplifier 1. The net phase shift through the two amplifiers is zero.

The usual idea of connecting the output of amplifier 2 to amplifier 1 to provide signal regeneration for oscillator is not applicable here as the amplifier 1 will amplify signals over a wide range of frequencies and hence direct coupling would result in poor frequency stability. By adding Wien bridge feedback network, the oscillator becomes sensitive to a particular frequency and hence frequency stability is achieved.

Operation

When the circuit is switched ON, the bridge circuit produces oscillations of the frequency stated above. The two transistors produce a total phase shift of 360^o so that proper positive feedback is ensured. The negative feedback in the circuit ensures constant output. This is achieved by temperature sensitive tungsten lamp L_p. Its resistance increases with current.

If the amplitude of the output increases, more current is produced and more negative feedback is achieved. Due to this, the output would return to the original value. Whereas, if the output tends to decrease, reverse action would take place.

Advantages

The advantages of Wien bridge oscillator are as follows −

The circuit provides good frequency stability.
It provides constant output.
The operation of circuit is quite easy.
The overall gain is high because of two transistors.
The frequency of oscillations can be changed easily.
The amplitude stability of the output voltage can be maintained more accurately, by replacing R₂ with a thermistor.

Disadvantages

The disadvantages of Wien bridge oscillator are as follows −

The circuit cannot generate very high frequencies.
Two transistors and number of components are required for the circuit construction.

Whenever an oscillator is under continuous operation, its frequency stability gets affected. There occur changes in its frequency. The main factors that affect the frequency of an oscillator are

Power supply variations
Changes in temperature
Changes in load or output resistance

In RC and LC oscillators the values of resistance, capacitance and inductance vary with temperature and hence the frequency gets affected. In order to avoid this problem, the piezo electric crystals are being used in oscillators.

The use of piezo electric crystals in parallel resonant circuits provide high frequency stability in oscillators. Such oscillators are called as Crystal Oscillators.

Crystal Oscillators

The principle of crystal oscillators depends upon the Piezo electric effect. The natural shape of a crystal is hexagonal. When a crystal wafer is cur perpendicular to X-axis, it is called as X-cut and when it is cut along Y-axis, it is called as Y-cut.

The crystal used in crystal oscillator exhibits a property called as Piezo electric property. So, let us have an idea on piezo electric effect.

Piezo Electric Effect

The crystal exhibits the property that when a mechanical stress is applied across one of the faces of the crystal, a potential difference is developed across the opposite faces of the crystal. Conversely, when a potential difference is applied across one of the faces, a mechanical stress is produced along the other faces. This is known as Piezo electric effect.

Certain crystalline materials like Rochelle salt, quartz and tourmaline exhibit piezo electric effect and such materials are called as Piezo electric crystals. Quartz is the most commonly used piezo electric crystal because it is inexpensive and readily available in nature.

When a piezo electric crystal is subjected to a proper alternating potential, it vibrates mechanically. The amplitude of mechanical vibrations becomes maximum when the frequency of alternating voltage is equal to the natural frequency of the crystal.

Working of a Quartz Crystal

In order to make a crystal work in an electronic circuit, the crystal is placed between two metal plates in the form of a capacitor. Quartz is the mostly used type of crystal because of its availability and strong nature while being inexpensive. The ac voltage is applied in parallel to the crystal.

The circuit arrangement of a Quartz Crystal will be as shown below −

If an AC voltage is applied, the crystal starts vibrating at the frequency of the applied voltage. However, if the frequency of the applied voltage is made equal to the natural frequency of the crystal, resonance takes place and crystal vibrations reach a maximum value. This natural frequency is almost constant.

Equivalent circuit of a Crystal

If we try to represent the crystal with an equivalent electric circuit, we have to consider two cases, i.e., when it vibrates and when it doesn’t. The figures below represent the symbol and electrical equivalent circuit of a crystal respectively.

The above equivalent circuit consists of a series R-L-C circuit in parallel with a capacitance C_m. When the crystal mounted across the AC source is not vibrating, it is equivalent to the capacitance C_m. When the crystal vibrates, it acts like a tuned R-L-C circuit.

Frequency response

The frequency response of a crystal is as shown below. The graph shows the reactance (X_L or X_C) versus frequency (f). It is evident that the crystal has two closely spaced resonant frequencies.

The first one is the series resonant frequency (f_s), which occurs when reactance of the inductance (L) is equal to the reactance of the capacitance C. In that case, the impedance of the equivalent circuit is equal to the resistance R and the frequency of oscillation is given by the relation,

$$f = \frac{1}{2\pi \sqrt{L.C}}$$

The second one is the parallel resonant frequency (f_p), which occurs when the reactance of R-L-C branch is equal to the reactance of capacitor C_m. At this frequency, the crystal offers a very high impedance to the external circuit and the frequency of oscillation is given by the relation.

$$f_p = \frac{1}{2\pi \sqrt{L.C_T}}$$

Where

$$C_T = \frac{C C_m}{(C + C_m)}$$

The value of C_m is usually very large as compared to C. Therefore, the value of C_T is approximately equal to C and hence the series resonant frequency is approximately equal to the parallel resonant frequency (i.e., f_s = f_p).

Crystal Oscillator Circuit

A crystal oscillator circuit can be constructed in a number of ways like a Crystal controlled tuned collector oscillator, a Colpitts crystal oscillator, a Clap crystal oscillator etc. But the transistor pierce crystal oscillator is the most commonly used one. This is the circuit which is normally referred as a crystal oscillator circuit.

The following circuit diagram shows the arrangement of a transistor pierce crystal oscillator.

In this circuit, the crystal is connected as a series element in the feedback path from collector to the base. The resistors R₁, R₂ and R_E provide a voltage-divider stabilized d.c. bias circuit. The capacitor C_E provides a.c. bypass of the emitter resistor and RFC (radio frequency choke) coil provides for d.c. bias while decoupling any a.c. signal on the power lines from affecting the output signal. The coupling capacitor C has negligible impedance at the circuit operating frequency. But it blocks any d.c. between collector and base.

The circuit frequency of oscillation is set by the series resonant frequency of the crystal and its value is given by the relation,

$$f_o = \frac{1}{2\pi \sqrt{L.C}}$$

It may be noted that the changes in supply voltage, transistor device parameters etc. have no effect on the circuit operating frequency, which is held stabilized by the crystal.

Advantages

The advantages of crystal oscillator are as follows −

They have a high order of frequency stability.
The quality factor (Q) of the crystal is very high.

Disadvantages

The disadvantages of crystal oscillator are as follows −

They are fragile and can be used in low power circuits.
The frequency of oscillations cannot be changed appreciably.

Frequency Stability of an Oscillator

An Oscillator is expected to maintain its frequency for a longer duration without any variations, so as to have a smoother clear sinewave output for the circuit operation. Hence the term frequency stability really matters a lot, when it comes to oscillators, whether sinusoidal or non-sinusoidal.

The frequency stability of an oscillator is defined as the ability of the oscillator to maintain the required frequency constant over a long time interval as possible. Let us try to discuss the factors that affect this frequency stability.

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くわし、動作点がいかに重要であるかを学びました。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。この点は温度変化によりずれるため、安定性に影響します。

温度の変化

発振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はすべて温度に依存します。温度変化により、それらの値が影響を受けます。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、_Vcc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。これは簡単にRPSと呼ばれます。安定化電源の詳細については、ELECTRONICCIRCUITS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も、発振器の周波数に影響を与えます。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同調回路のQ値が変化します。これにより、発振器の出力周波数が変化します。

エレメント間の静電容量の変化

エレメント間静電容量は、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静電容量です。これらは、動作中に電荷が存在するために発生します。

エレメント間コンデンサは、温度、電圧などのさまざまな理由で変化します。この問題は、問題のあるエレメント間コンデンサの両端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

発振器では、Q（品質係数）の値を高くする必要があります。調整された発振器のQの値が選択性を決定します。このQは同調回路の周波数安定性に正比例するため、Qの値を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。

$$S_w = d\theta/dw$$

DθはF公称周波数における小さな周波数変化のために導入された位相シフトである_R。（dθ/ dw）の値が大きい回路ほど、発振周波数が安定しています。

負性抵抗特性に作用する発振器は、負性抵抗発振器と呼ばれます。用語negative resistance2点間の電圧の増加が電流の減少を引き起こす状態を指します。一部の非線形デバイスは、特定の条件下で負性抵抗特性を示します。

負性抵抗特性

負性抵抗特性を示す非線形デバイスに電圧を印加し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、電圧と電流の変化を調べてみましょう。

順方向電圧が増加すると、電流は急速に増加し、次のように呼ばれるピークポイントまで増加します。 Peak Current、で示される I_P。この時点での電圧は次のように呼ばれますPeak Voltage、で示される V_P。この点はによって示されますA上のグラフで。ポイントA と呼ばれる Peak Point。

電圧がさらに上昇した場合 V_P、その後、電流が減少し始めます。と呼ばれるポイントまで減少しますValley Current、で示される I_V。この時点での電圧は次のように呼ばれますValley Voltage、で示される V_V。この点はによって示されますB上のグラフで。ポイントB と呼ばれる Valley Point。

したがって、ポイント間の領域 A とポイント B を示します Negative resistance region。谷点に到達し、電圧がさらに上昇すると、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。この地域はPositive Resistance region、ポイントで示されます B ポイントへ C グラフで。

動作中に負性抵抗特性を示す発振器はほとんどありません。ユニジャンクション発振器は、負性抵抗特性を示す非正弦波発振器（出力として掃引波形を生成する）の最良の例であり、トンネルダイオード発振器は、負性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、これはTunnel diode形成されます。としても知られていますEsaki diode、その発明者の後。

トンネルダイオード

ダイオード内の不純物濃度が増加すると、空乏領域の幅が減少し、接合を横切るために電荷キャリアに余分な力が加わります。この濃度がさらに増加すると、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、ポテンシャル障壁を乗り越えるのではなく、ポテンシャル障壁を通過します。この浸透は次のように理解できますTunneling したがって、名前は、 Tunnel diode。

次の画像は、実際の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、基本的な電子機器の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10GHzの非常に高い周波数の信号を生成するのに役立ちます。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、抵抗器Ｒ、および供給源Ｖから構成され得る。

ワーキング

選択する抵抗の値は、負性抵抗領域の中間でトンネルダイオードにバイアスをかけるような方法である必要があります。下の図は、実際のトンネルダイオード発振回路を示しています。

この回路において、抵抗R _1つのダイオードと抵抗Rのためのセット適切なバイアス_2つのタンク回路のセット適切な電流レベル。抵抗Rの並列の組み合わせ_PインダクタLとコンデンサは、選択された周波数で共振タンク回路を形成し、C。

スイッチSを閉じると、回路電流はすぐに一定値に向かって上昇します。この値は、抵抗Rの値とダイオード抵抗によって決まります。トンネルダイオードVの両端の電圧降下ただし、_Dはピーク点電圧V超える_Pを、トンネルダイオードは、負性抵抗領域に駆動されます。

この領域では、電圧Vまで減少する電流が開始されると、_Dはvalleypoint電圧Vと等しくなる_V。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。その結果、回路電流が増加する傾向があります。回路のこの増加は、電圧Vを低減する抵抗Rの両端の電圧降下が大きくなり_Dを。

VI特性曲線

次のグラフは、トンネルダイオードのVI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ときの負性抵抗領域を示しています。Qポイントが曲線ABの中央に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とポイントBの間を移動できます。点Aは呼ばれますpeak point そして点Bは呼ばれます valley point。

動作中に、点Bに到達した後、回路電流の増加は、電圧Vを低減する抵抗Rの両端の電圧降下が大きくなり_Dを。これにより、ダイオードが負性抵抗領域に戻ります。

電圧Vの低下_Dは電圧Vに等しく、_P、これは動作の1サイクルを完了する。これらのサイクルが続くと、正弦波出力を与える連続振動が発生します。