発振回路

発振回路

発振回路（electronic oscillator）とは、持続的な交流電気信号を生成する電子回路のことです。この回路は、その動作原理によって大きく「帰還型」と「弛張型」の2種類に分類されます。発振回路は、電波の放射やデジタル回路におけるクロックパルスの生成など、様々な用途に不可欠であり、電子回路の動作を支える上で非常に重要な役割を果たしています。

発振回路の種類

帰還型発振回路

帰還型（Harmonic oscillator）発振回路は、増幅回路の出力の一部を入力に戻す（フィードバック）ことで、規則的な電圧変動を生み出す回路です。これは、増幅回路の特殊な応用例と考えることができます。初期には三極管を用いて構成され、高周波を扱う分野において、超高周波発電機の必要性を大きく減少させました。

帰還型発振回路の典型的な例として、マイクで拾っ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発生するハウリング現象が挙げられます。スピーカーの出力が大きい場合、マイクをスピーカーに近づけると、大きな振幅を持つ規則的な電気信号が生成されます。これは、スピーカーからの出力の一部がマイクにフィードバックされた結果として起こる現象です。この例からもわかるように、増幅を目的とした回路でも、意図しないフィードバックが発生すると発振する可能性があります。

発振を起こすためには、フィードバックされる信号の位相が入力信号と同じであり、かつフィードバックされる信号の大きさが入力信号よりも大きい（フィードバックゲインが1以上）という条件を満たす必要があります。

弛張型発振回路

弛張型（Relaxation oscillator）発振回路は、電気的なスイッチのオン・オフを制御することで、断続的な電気信号を生成する回路です。このタイプの回路は、必ずしも増幅回路を必要としません。

弛張型発振回路の動作原理を説明するモデルとして、ししおどしを例に挙げることができます。竹筒に水が注ぎ込まれると、内部に水が蓄積されます。水量が一定の閾値を超えると、竹筒が傾き、内部の水が排出されます。この動作が繰り返されることで、周期的な動きが生じます。電子回路に例えると、竹筒はコンデンサ、水は電荷、水量は電圧に対応します。これにより、電圧が周期的に変化します。この動作を持続させるためには、竹筒を傾けるタイミングの制御が重要になります。

帰還型発振回路の例

帰還型発振回路では、増幅回路の出力の一部を入力にフィードバックする際に、その時間遅延を調整することで発振周波数を決定できます。発振が発生するのは、フィードバックが正帰還（入力信号とフィードバック信号の位相が同じ）である場合です。使用する受動素子によって、いくつかの種類に分類されます。

固体振動子発振回路

水晶振動子や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）を回路に組み込むことで、発振周波数を決定することができます。特に水晶振動子を用いた回路は、非常に高い周波数精度を実現できます。

固体振動子を用いた回路は、その接続方法によりさらに細かく分類されます。

ピアースB-E回路
ピアースC-B回路
エミッタ帰還回路

CR発振回路（低周波）

コンデンサ（C）と抵抗（R）で構成されるRC回路を用いてフィードバックを行います。これにより、正弦波を生成することができます。

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を使用し、周波数に応じて位相をずらす回路を複数段接続することで、特定の周波数で180度の位相差を生じさせます。これを反転増幅器のフィードバック回路として用いることで、発振させることができます。
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ます。出力電圧の振幅が飽和しないように、整流回路や平滑回路、遅延回路などで振幅を検出し、負帰還を調整（増幅率を増減）します。この方式は、比較的精度が高く、周波数可変範囲が広いため、アナログ発振器によく用いられます。
ツインT形: コンデンサと抵抗をT字型に接続し、ハイパスフィルタとローパスフィルタを構成します。これらを並列に接続することで、位相反転型のバンドパ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、正弦波を生成できます。調整はやや難しいものの、トランジスタ1個で低周波の正弦波を生成できる数少ない回路として、簡便な発振回路に用いられます。

LC反結合発振回路（高周波）

コイル（L）とコンデンサ（C）で構成されるLC回路を用いてフィードバックを行います。出力を逆位相で入力にフィードバックする（結合の位相が反対）ことから、この名称があります。

ハートレー発振回路（Hartley oscillator）: 2つのコイルと1つのコンデンサで構成されます。
コルピッツ発振回路（Colpitts oscillator）: 1つのコイルと2つのコンデンサで構成されます。実際には、コイルと直列にコンデンサを挿入して安定性を向上させることが多く、この変形はクラップ発振回路（Clapp oscillator）と呼ばれます。クラップ発振回路はC/N比に優れており、無線機に要求される厳しいC/Nを満たすことができるため、バイポーラトランジスタを用いたディスクリート構成の無線機用VCOの原型回路として用いられています。

同調形

回路の一部に同調回路を設け、その電圧の一部をフィードバックする方式です。

コレクタ同調
ベース同調
エミッタ同調

マルチバイブレータ

マルチバイブレータ（Multivibrator）には、以下の3つの種類があります。

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

この中で、発振回路として用いられるのは非安定マルチバイブレータです。この回路は、2組の反転増幅回路の入力と出力を互い違いに接続した構成をしています。

リング・オシレータ

NOTゲートやNORゲートのような反転論理回路を奇数段接続し、出力を入力に環状に接続することで、周期的な方形波（クロック）を生成します。これをリング・オシレータ、または論理ゲートのみで構成されるものをロジカルオシレーターと呼びます。周波数は、抵抗（R）やコンデンサ（C）の負荷、論理段数、バイアス電流（電圧）の調整によって決定されます。

実際の回路では、他の発振回路に比べて、周波数の揺らぎ（位相雑音）や波形の時間的な揺らぎ（ジッター）が大きいため、内蔵タイマーのクロックとして使われたり、位相同期回路と組み合わせて回路全体の基準クロックとして利用されます。

NOTゲートに圧電素子や水晶を直列に挿入し、リング状の閉回路を構成すると、共振周波数で強く発振します。この回路は、デジタル素子だけで高精度な周波数を得ることができるため、広く利用されています。いわゆるクオーツの最小構成はこの回路から成り立っています。原理的にはデジタル素子も内部にアナログ回路が存在し、アナログ増幅器として作用します。共振周波数に近いスペクトルが強く増幅されるため、圧電素子や水晶の共振周波数に強く同調します。

弛張型発振回路の例

弛張型発振回路は、電流のオン・オフに対して特定の条件を与えることで、断続的な電気信号を生成する回路です。最も簡単な条件としてはヒステリシス性があります。「弛」は緩む、「張」は張ることを意味し、この状態を交互に繰り返すことで発振します。

ネオン管発振回路

ネオン管（放電管）は、放電が起きていない状態では抵抗値が高いですが、一度放電が始まると抵抗値が低くなる特性を持ちます。ネオン管に並列にコンデンサを接続し、高抵抗を通じて高い直流電圧を印加すると、コンデンサに電荷が蓄えられ、ネオン管の両端の電圧が徐々に上昇します。ネオン管が放電を開始する閾値を超えると、放電が始まり、コンデンサの電圧が放電終了電圧よりも低くなるまで放電します。放電が終わると、再びコンデンサに電荷が蓄えられるという動作を繰り返します。この時、ネオン管の両端の電圧は周期的に変化するため、発振出力を取り出すことができます。

ネオン管の代わりに、同様の動作をするサイラトロンなどのガス放電管やUJT、PUTなどの半導体素子を用いることもあります。専用のICも存在します。

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たもので、放電現象を利用したものです。マルコーニの火花送信機もその一つです。多くの場合、放電電極と並列にLCの同調回路を接続しますが、特に、陽極に銅、陰極にニッケルからなる電極を用い、炭化水素または水素ガスを封入し、管全体に磁場をかけて放電を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よく知られています。パウルゼンのアーク式高周波発生回路とも呼ばれます。

リレーによる発振回路

NC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ます。すると磁力が弱まり、接点は再び電源に繋がり、最初の状態に戻ります。この回路は、発振を直接運動エネルギーとして取り出せる点と、構造が非常に単純である点から、非常ベルやブザーなどに利用されます。

この運動が、接点のオン・オフの際に微小な振動にならず、十分な振幅を保つ理由は、コイルが電磁石であると同時にインダクタンスを持っていることと、磁気回路のヒステリシス性による時間的な遅れによるものです。接点が繋がってから電流が十分に流れるまで、また、接点が離れてから磁力が十分に弱まるまで時間がかかるため、安定した振動が維持されます。

ノーマルオープン（NO）接点とコイルを並列につないだ回路

リレーのコイルに定格電流を流すと、コイルが励磁して接点が吸引され、コイルは短絡します。すると磁力が弱まり、接点は再び開き、最初の状態に戻ります。この回路は短絡する回路であるため、電圧電源をそのまま接続することはできません。しかし、リレーと負荷抵抗を直列に接続することで、発振器として機能します。この発振器は負荷と直列であるため、電源電圧はリレーと負荷に分圧されます。したがって、分圧される電圧に見合った定格電圧のリレーを使用する必要があります。さらに、接点が開いている時もコイル電流が負荷に流れるため、負荷の種類によっては注意が必要です。NO接点を用いたこの発振器は、接点に自己誘導起電力を発生させないため、火花が発生せず、特別な接点保護回路を必要としません。負荷に接点定格までの矩形波電流を供給することが可能です。実際の使用形態としては、単極リレーよりも、コイル電流のリークの影響をなくすため、2極2接点または3極2接点のリレーが用いられます。矩形波の発振周波数は個々のリレーの仕様によって異なり、リレー本体が大きくなるほど周波数は低くなりますが、基本的には周波数の調整はできません。

専用集積回路

ダイレクト・デジタル・シンセサイザ（Direct Digital Synthesizer, DDS）

単一で固定の発振源から、任意の周波数、位相、波形をデジタル的に生成するための電子回路です。

タイマーIC

タイマー用集積回路NE555を使用すると、簡単に弛張型発振回路を構成できます。タイムアップ時にコンデンサの電荷を放電するように回路を構成すると、順次抵抗を通してコンデンサに充電し、一定の電荷に達するとタイマーがタイムアップし、コンデンサの電荷を放電します。このICを使用するメリットは、1Hz以下の長周期発振が実現できることです。

脚注

関連項目

アナログ回路
ディジタル回路
RLC回路
電圧制御発振器
LFO (電子楽器)（LFO;Low Frequency Oscillator）
真空管
サイラトロン、ダイナトロン、クライストロン、マグネトロン
SCR、ガン・ダイオード、インパットダイオード
* フリンジハウル

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