発振回路

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発振回路（はっしんかいろ、electronic oscillator）は、持続した交流を作る電気回路である。その原理により、帰還型（きかんがた）と弛張形（しちょうがた）に分類できる。電波の放射や、デジタル回路におけるクロックパルスの発生が代表的な用途であるが、それ以外にも、電子回路の動作の基準となる重要な回路である。

[編集] 帰還型と弛張型

帰還型（Harmonic oscillator）は、増幅回路の出力の一部を入力に帰還（フィードバック）させることにより、規則的な電圧の変動を生じさせるもので、基本的には増幅回路の特殊例と言えるものである。増幅の作用を持つ三極管で最初は作られ、これが出来たので、高周波を扱う分野では超高周波発電機が不要になった。

帰還型の例として、マイクにより得られた音声信号をアンプで増幅し、スピーカーから出力する際に起こるハウリングが挙げられる。スピーカーからの出力が十分に大きい場合、マイクをスピーカーに近づけると振幅の大きな規則的な電気信号が得られる（多くの場合その音は不快感を伴う）。これはスピーカーからの出力の一部がマイクに帰還されたことにより生ずる現象である。この例から分かる通り、増幅を目的とした回路でも、（意図しない）帰還があると発振することがある。

弛張型（Relaxation oscillator）は、電気的にはスイッチのオン・オフのタイミングを制御することで断続した電気信号を生じさせるものである。増幅回路を持たないこともある。

弛張型の例としてししおどしが挙げられる。竹筒に水を注いでゆき、水が竹筒の内部に蓄えられる。内部の水量があるしきい値を超えると、竹筒が倒れ、内部の水が空になり、同様の動作を繰り返す。これを電子回路に例え、竹筒をコンデンサ、水を電荷、水量を電圧に置き換えると、電圧は周期的な変化をしているといえる。動作が持続するためには、竹筒を倒すタイミングの制御が重要である。

[編集] 帰還型発振回路の例

増幅回路の出力の一部を入力に帰還する際、その時間遅れを決めることにより、発振周波数が決定される。正帰還（入力の電気信号と、帰還する電気信号の位相が同じ）である場合に発振する。用いる受動素子により、いくつかの種類に分類できる。

[編集] 固体振動子発振回路

水晶振動子・セラミック発振子など、電圧を印加することで固有振動を起こす部品（固体振動子）を回路内に接続することにより、発振周波数を決めることができる。特に水晶振動子を用いた回路は、発振周波数の精度が非常に高い。

回路内の接続の方法により、次のように分類される。

ピアースB-E回路
ピアースC-B回路
エミッタ帰還回路

[編集] CR発振回路

C（コンデンサ）とR（抵抗）で構成される回路を用いて帰還するものである。正弦波を発生する。

移相形: コンデンサと抵抗によるローパスフィルタまたはハイパスフィルタは、周波数に応じて0から90度の位相のずれが生ずる。その回路を3段もしくは4段接続すると、特定の周波数で180度の位相のずれが生ずるので、反転増幅器の帰還回路に用いることで発振する。
ウィーンブリッジ形（Wien bridge oscillator）: コンデンサと抵抗によるバンドパスフィルタを用いて増幅回路に正帰還をかける。出力電圧の振幅が飽和しないよう、その振幅を整流回路、平滑回路、遅延回路などで検出して、負帰還を調整する（増幅率を増減する）。精度が比較的高く、周波数の可変域が広いため、アナログ式の発振器に用いられている。
ツインT形: コンデンサと抵抗をT字型に接続することで、ハイパスフィルタとローパスフィルタを構成できる。これらを並列にして位相反転形のバンドバスフィルタを構成し、増幅回路の負帰還として用いることで、正弦波を発生できる。調整はやや難しいが、トランジスタ1石で低周波の正弦波を発生できる数少ない回路であるため、簡便な発振回路として用いられる。

[編集] LC反結合発振回路

L（コイル）とC（コンデンサ）で構成される回路を用いて帰還するものである。出力を逆位相で入力に帰還する（結合の位相が反対）ことから、この名称がある。

ハートレー発振回路（Hartley oscillator）: コイル2個、コンデンサ1個で構成
コルピッツ発振回路（Colpitts oscillator）: コイル1個、コンデンサ2個で構成、実際にはコイルと直列にコンデンサを挿入して安定度を向上することが多く、この変形はクラップ発振回路（Clapp oscillator）と呼ばれる。クラップ発振回路はC/Nに優れており、無線機に要求される非常に厳しいC/Nを満たすことが出来るため、バイポーラトランジスタを使ってディスクリートで構成される無線機用VCOの原型の回路になっている。

クラップ発振回路

ハートレー発振回路

[編集] 同調形

回路の一部に同調回路を設け、その電圧の一部を帰還するものである。

コレクタ同調
ベース同調
エミッタ同調

[編集] マルチバイブレータ

マルチバイブレータ（Multivibrator）と呼ばれる回路には、次の3種類がある。

単安定マルチバイブレータ
双安定マルチバイブレータ
非安定マルチバイブレータ

このうち非安定マルチバイブレータが発振回路として用いられる。2組の反転増幅回路の入力と出力をそれぞれ互い違いに接続した回路である。

[編集] 弛張型発振回路の例

電流のオン・オフに対して、ある条件を与えることで、断続する電気信号を作り出す回路である。最も簡単な条件にヒステリシス性がある。

[編集] ネオン管発振回路

ネオン管（放電管）は、電荷を蓄える（充電する）性質があり、内部で放電が起きない場合には内部抵抗が高いが、一旦放電が起こると内部抵抗が一時的に低くなる性質がある。ネオン管に高抵抗を通して高い直流電圧を加えると、電荷が蓄えながら次第にネオン管の端子電圧が高くなり、放電のしきい値を超えると放電が起こって電圧が低くなり、また電荷が蓄えられる動作を繰り返す。この時ネオン管の端子電圧は周期的に変化しているので、発振出力を取り出すことができる。ししおどしと同じ原理である。

ネオン管の代わりに、同等の作用を持つサイラトロンなどのガス放電管やUJTやPUTなどの半導体素子を用いるものもある。

また、コンデンサに充電しながらその電圧を監視し、電圧がある値を超えた場合に放電する回路を作ることで、発振させることができる。このための専用のICもある。

[編集] パウルゼンの弧光発振回路

ネオン管発振回路と同様の原理を用い、電波の送信を目的とし、各種の放電現象を利用したものとしてマルコーニの火花送信機がある。多くの場合、放電電極と並列にLCの同調回路を接続したものとなっているが、その中でも、陽極に銅、陰極にニッケルからなる電極を用い、炭化水素あるいは水素ガスを封入し、管全体に磁場をかけて放電の安定化させたガス放電管を用いるパウルゼンの弧光発振回路が良く知られている。パウルゼンのアーク式高周波発生回路とも呼ばれる。

[編集] リレーによる発振回路

リレーのNO接点とコイルを直列に繋いだ回路。電圧を印加するとコイルが励磁して接点が吸引され電源から切り離される。コイルとそれを取り巻く磁気回路はヒステリシス性があるので電源が切れても接点はしばらく吸引されたままになる(接点を吸引する時にも時間的な遅れがある)。磁力が十分に弱まると接点は再び電源に繋がれ、最初の状態に戻る。この回路は発振が直接運動エネルギーとして取り出せる事と構造が非常に単純な事から、非常ベルやブザーなどに用いられる。