オペアンプはエレクトロニクスの不可欠な部分であり、以前はさまざまなオペアンプベースの回路でオペアンプについて学び、オペアンプやその他のエレクトロニクスコンポーネントを使用して多くの発振回路を構築しました。
発振器とは、一般に、正弦波や方形波のような周期的で反復的な出力を生成する回路を指します。発振器は、いくつかの変数に応じて振動を生成する機械的または電子的な構造にすることができます。以前は、RC位相シフトオシレーター、コルピッツオシレーター、ウィーンブリッジオシレーターなど、多くの一般的なオシレーターについて学びました。今日は、リラクゼーションオシレーターについて学びます。
弛張発振器は1を満たし、すべての条件を以下の通りです：
- 出力に（電圧または電流パラメータの）非正弦波形を提供する必要があります。
- 出力で、周期信号または三角波、方形波、長方形波などの反復信号を提供する必要があります。
- 緩和発振器の回路は非線形でなければなりません。つまり、回路の設計には、トランジスタ、MOSFET、OP-AMPなどの半導体デバイスを含める必要があります。
- 回路設計には、サイクルを生成するために連続的に充電および放電するコンデンサまたはインダクタのようなエネルギー蓄積デバイスも含まれている必要があります。このような発振器の発振周波数または発振周期は、それぞれの容量性または誘導性回路の時定数に依存します。
弛緩発振器の働き
リラクゼーションオシレーターをよりよく理解するために、最初に以下に示す簡単なメカニズムの動作を調べてみましょう。
ここに示されているメカニズムは、おそらく誰もが人生で経験したシーソーです。厚板は、両端の大衆が受ける重力に応じて前後に移動します。簡単に言えば、シーソーは「質量」のコンパレータであり、厚板の両端に配置されたオブジェクトの質量を比較します。したがって、質量の大きいオブジェクトは地面に水平になり、質量の小さいオブジェクトは空中に持ち上げられます。
このシーソーのセットアップでは、図に示すように、一方の端に固定質量「M」があり、もう一方の端に空のバケットがあります。この初期状態では、質量「M」は地面に水平になり、バケットは上記のシーソーの原理に基づいて空中に吊るされます。
ここで、空のバケツの上に配置された蛇口をオンにすると、水が空のバケツを満たし始め、それによってセットアップ全体の質量が増加します。
そして、バケットが完全にいっぱいになると、バケット側の全体の質量は、もう一方の端に配置された固定質量「M」よりも大きくなります。したがって、厚板は軸に沿って移動し、それによって質量「M」を空輸し、水バケツを接地します。
図に示すように、バケツが地面に着くと、バケツに満たされた水が完全に地面にこぼれます。こぼれた後、バケット側の総質量は、固定質量「M」と比較して再び少なくなります。そのため、再び厚板が軸に沿って移動し、それによってバケットを再び空中に移動して別の充填を行います。
充填とこぼれのこのサイクルは、バケツを満たすための水源が存在するまで上昇し続けます。そして、このサイクルのために、厚板は周期的な間隔で軸に沿って移動し、それによって振動出力を与えます。
さて、機械部品と電気部品を比較すると、次のようになります。
- バケットは、コンデンサまたはインダクタのいずれかであるエネルギー貯蔵デバイスと見なすことができます。
- シーソーは、コンデンサとリファレンスの電圧を比較するために使用されるコンパレータまたはオペアンプです。
- 基準電圧は、コンデンサ値の公称比較のために使用されます。
- ここでの水の流れは、電荷と呼ぶことができます。
弛張発振器回路
上記のシーソー機構と同等の電気回路を描くと、以下に示すように弛緩発振器回路が得られます。
このオペアンプ弛緩発振器の動作は、次のように説明できます。
- 蛇口をオンにすると、水が水バケツに流れ込み、ゆっくりと水が満たされます。
- 水バケツが完全に満たされると、バケツ側の全体の質量は、もう一方の端に配置された固定質量「M」よりも大きくなります。これが発生すると、厚板はその位置をより妥協した場所に移します。
- 水が完全にこぼれた後、バケツ側の総質量は、固定質量「M」と比較して再び少なくなります。そのため、シャフトは再び初期位置に移動します。
- 前回の払拭後、バケツは再び水で満たされ、このサイクルは蛇口から水が流れるまで永遠に続きます。
上記の場合のグラフを描くと、次のようになります。
ここに、
- 最初に、コンパレータの出力が高いと考えると、この間にコンデンサが充電されます。コンデンサの充電に伴い、その端子電圧は徐々に上昇します。これはグラフで確認できます。
- コンデンサの端子電圧がしきい値に達すると、グラフに示すように、コンパレータの出力がハイからローになります。そして、コンパレータ出力が負になると、コンデンサはゼロまで放電を開始します。負の出力電圧が存在するためにコンデンサが完全に放電した後、反対方向を除いて再び充電されます。グラフからわかるように、出力電圧が負であるため、コンデンサの電圧も負の方向に上昇します。
- コンデンサが負の方向に最大に充電されると、コンパレータは出力を負から正に切り替えます。グラフに示すように、出力が正のサイクルに切り替わると、コンデンサは負の経路で放電し、正の経路で電荷を蓄積します。
- したがって、正と負のパスでのコンデンサの充電と放電のサイクルにより、コンパレータは上記の出力で方形波信号を生成します。
弛緩発振器の周波数
明らかに、発振周波数は回路内のC1とR3の時定数に依存します。C1とR3の値が高いほど、充電速度と放電速度が長くなるため、振動の周波数が低くなります。同様に、値が小さいほど、より高い周波数の振動が発生します。
ここで、R1とR2は、出力波形の周波数を決定する上でも重要な役割を果たします。これは、C1が充電する必要のある電圧しきい値を制御するためです。たとえば、しきい値が5Vに設定されている場合、C1はそれぞれ最大5Vと-5Vまで充電および放電するだけで済みます。一方、しきい値が10Vに設定されている場合、10Vおよび-10Vに充電および放電するにはC1が必要です。
したがって、弛緩発振器の周波数式は次のようになります。
f = 1/2 x R 3 x C 1 x ln（1 + k / 1-k）
ここで、K = R 2 / R 1 + R 2
抵抗R1とR2が互いに等しい場合、
f = 1 / 2.2 x R 3 x C 1
弛張発振器の応用
リラクゼーションオシレーターは次の場所で使用できます。
- 信号発生器
- カウンター
- メモリ回路
- 電圧制御発振器
- 楽しいサーキット
- 発振器
- マルチバイブレーター。