DASS01に組み込むAnalog VCOを作りたいと思います。例によって一番簡単そうな回路を使います。OPAMPを使ったヒステリシス付きコンパレーターと積分器の組み合わせで、入力電圧(CV)に比例した周波数の矩形波と三角波を出力するものです。 参考 新日本無線の「 オペアンプの応用回路例集 」の「電圧制御発振器(VCO)」 トランジスタ技術2015年8月号 特集・第4章「ラックマウント型モジュラ・アナログ・シンセサイザ」のVCO 「Melodic Testbench」さんの「 VCO Theory 」 シミューレーション回路図 U1周りが積分器、U2周りがヒステリシス付きコンパレーターです。U2まわりはコンパレーターなので、出力はHまたはLになり、Q1をスイッチングします。Q1のOn/OffでU1周りの積分器の充放電をコントロールします。 過渡解析 CVを1V~5Vで1V刻みでパラメータ解析しました。出力周波数は100Hz~245Hz程度になっています。 三角波出力(TRI_OUT)は5. 1V~6.
振動子の励振レベルについて 振動子を安定して発振させるためには、ある程度、電力を加えなければなりません。 図13 は、励振レベルによる周波数変化を示した図で、電力が大きくなれば、周波数の変化量も大きくなります。 また、振動子に50mW 程度の電力を加えると破壊に至りますので、通常発振回で使用される場合は、0. 1mW 以下(最大で0. 5mW 以下)をお推めします。 図13 励振レベル特性 5. 回路パターン設計の際の注意点 発振段から水晶振動子までの発振ループの浮遊容量を極力小さくするため、パターン長は可能な限り短かく設計して下さい。 他の部品及び配線パターンを発振ループにクロスする場合には、浮遊容量の増加を極力抑えて下さい。
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2) 式2より「ω=2πf」なので,共振周波数を表す式は,(a)の式となり,Tank端子が共振周波数の発振波形になります.また,Tank端子の発振波形は,Q 4 から後段に伝達され,Q 2 とQ 3 のコンパレータとQ 1 のエミッタ・ホロワを通ってOUTにそのまま伝わるので,OUTの発振周波数も(a)の式となります. ●MC1648について 図1 は,電圧制御発振器のMC1648をトランジスタ・レベルで表し,周辺回路を加えた回路です.MC1648は,固定周波数の発振器や電圧制御発振器として使われます.主な特性を挙げると,発振周波数は,周辺回路のLC共振回路で決まります.発振振幅は,AGC(Auto Gain Control)により時間が経過すると一定になります.OUTからは発振波形をデジタルに波形整形して出力します.OUTの信号はデジタル回路のクロック信号として使われます. ●ダイオードとトランジスタの理想モデル 図1 のダイオードとトランジスタは理想モデルとしました.理想モデルを用いると寄生容量の影響を取り除いたシミュレーション結果となり,波形の時間変化が理解しやすくなります.理想モデルとするため「」ステートメントは以下の指定をします. DD D ;理想ダイオードのモデル NP NPN;理想NPNトランジスタのモデル ●内部回路の動作について 内部回路の動作は,シミュレーションした波形で解説します. 図2 は, 図1 のシミュレーション結果で,V 1 の電源が立ち上がってから発振が安定するまでの変化を表しています. 図2 図1のシミュレーション結果 V(agc):C 1 が繋がるAGC端子の電圧プロット I(R 8):差動アンプ(Q 6 とQ 7)のテール電流プロット V(tank):並列共振回路(L 1 とC 3)が繋がるTank端子の電圧プロット V(out):OUT端子の電圧プロット 図2 で, 図1 の内部回路を解説します.V 1 の電源が5Vに立ち上がると,AGC端子の電圧は,電源からR 13 を通ってC 1 に充電された電圧なので, 図2 のV(agc)のプロットのように時間と共に電圧が高くなります. AGC端子の電圧が高くなると,Q 8 ,D1,R7からなるバイアス回路が動き,Q 8 コレクタからバイアス電流が流れます.バイアス電流は,R 8 の電流なので, 図2 のI(R 8)のプロットのように差動アンプ(Q 6 ,Q 7)のテール電流が増加します.
■問題 IC内部回路 ― 上級 図1 は,電圧制御発振器IC(MC1648)を固定周波数で動作させる発振器の回路です.ICの内部回路(青色で囲った部分)は,トランジスタ・レベルで表しています.周辺回路は,コイル(L 1)とコンデンサ(C 1 ,C 2 ,C 3)で構成され,V 1 が電圧源,OUTが発振器の出力となります. 図1 の発振周波数は,周辺回路のコイルとコンデンサからなる共振回路で決まります.発振周波数を表す式として正しいのは(a)~(d)のどれでしょうか. 図1 MC1648を使った固定周波数の発振器 (a) (b) (c) (d) (a)の式 (b)の式 (c)の式 (d)の式 ■ヒント 図1 は,正帰還となるコイルとコンデンサの共振回路で発振周波数が決まります. (a)~(d)の式中にあるL 1 ,C 2 ,C 3 の,どの素子が内部回路との間で正帰還になるかを検討すると分かります. ■解答 (a)の式 周辺回路のL 1 ,C 2 ,C 3 は,Bias端子とTank端子に繋がっているので,発振に関係しそうな内部回路を絞ると, 「Q 11 ,D 2 ,D 3 ,R 9 ,R 12 からなる回路」と, 「Q 6 とQ 7 の差動アンプ」になります. まず,Q 11 ,D 2 ,D 3 ,R 9 ,R 12 で構成される回路を見ると,Bias端子の電圧は「V Bias =V D2 +V D3 =約1. 4V」となり,直流電圧を生成するバイアス回路の働きであるのが分かります.「V Bias =V D2 +V D3 =約1. 4V」のV D2 がダイオード(D 2)の順方向電圧,V D3 がダイオード(D 3)の順方向電圧です.Bias端子とGND間に繋がるC 2 の役割は,Bias端子の電圧を安定にするコンデンサであり,共振回路とは関係がありません.これより,正解は,C 2 の項がある(c)と(d)の式ではありません. 次に,Q 6 とQ 7 の差動アンプを見てみます.Q 6 のベースとQ 7 のコレクタは接続しているので,Q 6 のベースから見るとQ 7 のベース・コレクタ間にあるL 1 とC 3 の並列共振回路が正帰還となります.正帰還に並列共振回路があると,共振周波数で発振します.共振したときは式1の関係となります. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1) 式1を整理すると式2になります.
差動アンプは,テール電流が増えるとゲインが高くなります.ゲインが高くなると 図2 のV(tank)のプロットのようにTank端子とBias端子間の並列共振回路により発振し,Q 4 のベースに発振波形が伝わります.発振波形はQ 4 からQ 5 のベースに伝わり,発振振幅が大きいとC 1 からQ 5 のコレクタを通って放電するのでAGC端子の電圧は低くなります.この自動制御によってテール電流が安定し,V(tank)の発振振幅は一定となります. Q 2 とQ 3 はコンパレータで,Q 2 のベース電圧(V B2)は,R 10 ,R 11 ,Q 9 により「V B2 =V 1 -2*V BE9 」の直流電圧になります.このV B2 の電圧がコンパレータのしきい値となります.一方,Q 4 ベースの発振波形はQ 4 のコレクタ電流変化となり,R 4 で電圧に変換されてQ 3 のベース電圧となります.Q 2 とQ 3 のコンパレータで比較した電圧波形がQ 1 のエミッタ・ホロワからOUTに伝わり, 図2 のV(out)のように,デジタルに波形整形した出力になります. ●発振波形とデジタル波形を確認する 図3 は, 図2 のシミュレーション終了間際の200ns間について,Tank端子とOUT端子の電圧をプロットしました.Tank端子は正弦波の発振波形となり,発振周波数をカーソルで調べると50MHzとなります.式1を使って,発振周波数を計算すると, 図1 の「L 1 =1μH」,「C 3 =10pF」より「f=50MHz」ですので机上計算とシミュレーションの値が一致することが分かりました.そして,OUTの波形は,発振波形をデジタルに波形整形した出力になることが確認できます. 図3 図2のtankとoutの電圧波形の時間軸を拡大した図 シミュレーション終了間際の200ns間をプロットした. ●具体的なデバイス・モデルによる発振周波数の変化 式1は,ダイオードやトランジスタが理想で,内部回路が発振周波数に影響しないときの理論式です.しかし,実際はダイオードとトランジスタは理想ではないので,式1の発振周波数から誤差が生じます.ここでは,ダイオードとトランジスタへ具体的なデバイス・モデルを与えてシミュレーションし, 図3 の理想モデルの結果と比較します. 図1 のダイオードとトランジスタへ具体的なデバイス・モデルを指定する例として,次の「」ステートメントに変更します.このデバイス・モデルはLTspiceのEducationalフォルダにある「」中で使用しているものです.
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