LC発振器の基礎と測定

7月 22, 2021
admin

コンデンサとインダクタを組み合わせて共振回路を作ることができ、その周波数特性は顕著である。

キャパシタンスとインダクタンスが並列の場合、共振時には並列LC回路は開回路のように働き、回路電流は回路内の抵抗で決まります。 そのため、並列共振回路の共振時の全インピーダンスは、ちょうど抵抗の値になる。

共振回路の用途は多く、ラジオの送受信機の選択的同調や不要な高調波の抑制などがある。

液晶発振器の議論で、興味を引くのは並列共振である。 インダクタとコンデンサを並列に配置したものをタンク回路と呼びます。 5893>XC=XL または 1/2πfC=2πfL

ここでfは周波数、Cは容量、Lはインダクタンス

共振は誘導性と容量性リアクタンスが等しいとき、つまり2πfL=1/2πfCのとき回路に共振が発生する。 これはある周波数でのみ起こりうることです。 この式を簡略化すると、
発振器共振式

この情報から、回路の容量性、誘導性のパラメータを知っていれば、共振周波数を求めることが可能です。 あるいは、ある共振周波数が欲しい場合、LとCの値を選択することができる。

共振回路において、Qは品質を表す。 Qは、共振回路に蓄えられたエネルギーのうち、1サイクルで消費されるエネルギーに対するピーク(つまり最大値)である。 共振周波数frと帯域幅Bwの比である。 帯域幅は分母にあるので、Qが高い回路は帯域幅が狭くなる。 Q = fr/Bw

しかし、いくつかのアプリケーションでは、共振回路のQは意図的に減少していることを述べなければならない。 これは、「Qスポイリング」抵抗を導入することで可能です。 電子回路で重要であることに加え、Q は機械、音響、光学、その他のシステムの発振に関係します。

一般的に言って、電子回路の発振器は直流電源電圧を交流出力に変換し、さまざまな波形、周波数、振幅、デューティサイクルで構成することが可能です。

電子発振器の一種であるLC発振器は、高品質な出力とシンプルな設計のため、高周波用途でよく見かけます。 正帰還増幅器と適切なQ値を持つLC共振回路で構成されます。

増幅器を作る目的は、発振しない回路を設計することです。 発振器として動作させることを目的としない増幅器では、限られた量の正帰還を使用して利得を高めることができます。 また、帰還に直列に可変抵抗を入れて、回路が発振しないようにすることができます。 PA システムのある講堂では、フィードバックを制御して発振を防ぐために、スピーカーとマイクの間隔を確保する必要があります。 マイクとスピーカーの距離は、音声周波数に対する抵抗のように振る舞います。

LC 発振器は(非共振で時定数のみに基づく RC 発振器とは異なり)、容量性リアクタンスと誘導性リアクタンスの相互作用によって特定の周波数で鳴るように調整されます。 発振回路の共振周波数を測定するには、まずRF信号発生器を回路に接続することから始めます。 発電機と発振器間の結合は緩くなければなりません。 次に、Qを測定したい周波数に発電機を設定します。発振回路を調整し(多くの場合、チューナーコンデンサを回して)、タンク回路に接続したスコーププローブで最大電圧を確認します。 この周波数が回路の共振周波数です。

次に、共振周波数での発振回路の電圧を測定します。 発電機の周波数を共振の少し上と下に変化させ、回路上の電圧が共振時の値の0.707倍となる2つの周波数を決定します。 共振の0.707倍の電圧が-3dBポイントです。

発振器の帯域幅は、この2つの0.707ポイントに対応する周波数の差になります。 Qは共振周波数をこの帯域幅で割ったものです。

テストセットアップには、通常、信号発生器、カップリングコイル、スコープ、1:100プローブが含まれます。 信号発生器の出力は、約50ターンあるカップリングコイルに接続します。 メガヘルツ帯の周波数では、カップリングコイルを発振回路から20cm程度離して設置します。 この20cmの距離は、コイルと発振器の結合が緩やかになるようにするためです。 プローブのアース接続はチューナーコンデンサーの筐体に接続します。 プローブは、オシロスコープに接続します。 プローブは回路の小さな負荷となるので、Qはあまり低下しません。 1:1や1:10のプローブもありますが、これらは発振回路に負荷をかける可能性があります。 1:100プローブは通常、100MΩの入力抵抗と4pFの入力容量を持ちます。

プローブの100倍減衰のため、信号発生器出力は一般にかなり高く設定する必要があります。

スイープ発生器はこの測定のいくつかの側面を簡略化することができます。 オシロスコープをX-Yモードにして、「スイープ出力」をオシロスコープのX入力に接続します。 ここで、スコープのトレースは、左側が開始周波数、右側が停止周波数で左から右へ走ります。 オシロスコープのY入力は、1:100プローブを介して発振器に接続されています。 スイープジェネレータのRF出力は、発振器のコイルから20cmほど離れたところにあるカップリングコイルに接続します。

チューナーコンデンサを回して、オシロスコープ画面上に発振器のカーブを得ることができます。 スイープジェネレータの振幅つまみで曲線のピークの高さを調整します。 この方法の大きな利点は、発振回路の共振周波数の変化を直接画面上で見ることができることです。 また、ピークの高さが変化するため、Qの変化も明らかになります。

LC 発振器にはいくつかのサブタイプがあります:

Armstrong Oscillator– 1912年にエドウィン・アームストロングが発明したアームストロング発振器は、昔からある振り子などの機械発振器に対して、最初の電子発振器となったものでした。 アームストロング発振器は、もともと真空管式送信機に使われていた。 その後、アンテナからのRF信号が補助コイルによってLCインダクタンスに結合する再生受信機で活躍した。 このコイルは、回路が発振しないように調整することができる。 この回路は、RF信号の復調にも使用される。

 コルピッツオシレータ– 1918年にエドウィン・コルピッツが発明したコルピッツオシレータは、センタータップ容量と思われるものからフィードバックを得ている。 これは、実際には2つのコンデンサを直列に接続した分圧器です。 能動素子であるアンプは、バイポーラ接合トランジスタ、電界効果トランジスタ、オペアンプ、真空管などである。 コルピッツ発振器は、インダクタを可変にすると、スーパーヘテロダイン受信機やスペクトラム・アナライザーのような可変周波数発振器として機能することができる。

– 1915年にラルフ・ハートリーによって発明されたハートリー発振器は、コルピッツ発振器の鏡像である。 センタータップ型キャパシタンスとインダクタの組み合わせではなく、センタータップ型インダクタンスとキャパシタの組み合わせで構成されている点が異なる。 フィードバック信号は、センタータップ付きインダクタ、または2つのインダクタの直列接続から得られます。

これらのインダクタンスは相互に結合する必要がないため、単一のセンタータップ付きデバイスではなく、2つの別々の直列接続されたコイルで構成することができます。 センタータップ型の場合、2つのセグメントが磁気的に結合しているので、インダクタンスは大きくなります。

ハートリー発振器では、可変コンデンサを使って簡単に周波数を調整することができます。 回路は比較的簡単で、部品点数も少ない。 コンデンサを水晶振動子で代用すれば、周波数安定度の高い発振器ができる。

Clapp Oscillator– クラップ発振器は、同じくLCデバイスで、トランジスタや真空管に、目的の動作周波数に設定したインダクタンスと容量の相互作用による帰還回路で構成。 1948年にJames Clapp氏によって発明された。 コルピッツ回路に似ているが、インダクタと直列に第3のコンデンサを配置したものである。 コルピッツ発振器の改良型で、特定の周波数で発振しないことがあり、スペクトルにギャップが生じる。

peltz oscillator– ペルツ発振器は、1つの増幅素子ではなく、2つのトランジスタを使用している点でコルピッツ、クラップ、ハートリー発振器とは異なる。 他の発振器と同様に、発振を持続させるために共振周波数で1倍以上の利得を得ることが目的です。

1つのトランジスタをコモンベース・アンプ、もう1つをエミッタ・フォロワとして構成することが可能です。 共振周波数でインピーダンスが最小となるLCタンクはコレクタに大きな負荷がかかる。 エミッタフォロワの出力をコモンベーストランジスタの入力に戻すとペルツ回路の発振が維持される。

電気的に可変なLC発振器を作るには、LC回路にバラクタ(電圧可変コンデンサ)を配置する。 バラクタとは逆バイアスのダイオードのことです。 ダイオードのようなPN接合の静電容量は、逆バイアスがかかると低下する。 具体的には、逆バイアスの大きさによって、半導体内の空乏領域の厚さが決まります。 空乏ゾーンの厚さは、ダイオードを逆バイアスする電圧の平方根に比例し、静電容量はその厚さに反比例するので、印加電圧の平方根に反比例します。

したがって、単純な直流電源の出力は、さまざまな抵抗または可変抵抗を通して切り替えられ、振動子を調整することが可能です。 バラクタはこの性質を効率的に利用するように設計されています。

ある程度の弾性を持つ固体は、機械的エネルギーが加わるとある程度は振動します。 たとえば、木槌でたたいた銅鑼がそうです。

水晶は共振周波数が非常に安定しているので、この役割を果たすのに最適である。 共振周波数は水晶の大きさや形状に依存します。 30年で1秒の精度を持つ水晶発振器は、時計の振り子に取って代わり、原子時計が登場する1950年代まで、長年にわたって最高の精度を誇っていました。

共振器としての水晶には、逆電気の驚くべき特性があります。 つまり、適切に切断し、接地し、取り付け、端子をつけると、印加された電圧に反応してわずかに形状を変えるのである。 電圧を取り除くと、元の空間構成に戻り、端子で測定できる電圧を発生する。 この振動が共振周波数となります。

水晶にはもう一つ長所があり、それは安価であることで、世界最高のオシロスコープ、スペクトラムアナライザ、任意周波数発生器など多くのアプリケーションに広く使用されています

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